Een vereenvoudigde techniek om nanokristallen van ceriumdioxide (CeO2) te fabriceren, die een breed scala aan technologische en industriële toepassingen hebben, is "onverwacht" aangetoond door een UNSW-chemicus.

Het door de UNSW geleide onderzoek onthult dat nanokristallen van nature worden gevormd wanneer een voorlopermateriaal - Cerium (IV) - wordt opgelost en gehydrolyseerd in water. Het is de eerste keer dat dit vormingsproces is waargenomen.

De bevindingen, gemeld in Chemie – Een Europees tijdschrift , kan het bestaande productieproces vereenvoudigen, die verwarming en de toevoeging van chemicaliën vereist om de vorm en grootte van de kristallen beter te beheersen.

"De belangrijkste bevinding is dat cerium (IV) de intrinsieke aard heeft om via hydrolyse nanokristallen van ceriumdioxide van ongeveer twee tot drie nanometer in een waterige oplossing van uniforme grootte te vormen, ", zegt hoofdauteur dr. Atsushi Ikeda-Ohno van de UNSW School of Civil and Environmental Engineering.

"De resultaten van deze studie bieden een basisconcept om het productieproces te vereenvoudigen en te verlichten en betekent dat we alleen de pH van de waterige oplossing hoeven aan te passen ... zonder verwarming of toevoeging van chemicaliën, " zegt hij. "Dit kan geld besparen op energiekosten en de milieu-impact van het hele productieproces helpen verminderen."

Ceriumdioxide nanokristallen worden gevormd uit het zeldzame aarde-element Cerium. Ze worden gebruikt als katalysatoren om gevaarlijke gassen te behandelen, waarbij giftige dampen worden omgezet in minder schadelijke emissies; als elektroden in brandstofcellen; en in zonnebrandmiddelen en cosmetica vanwege hun vermogen om hoge niveaus van UV-straling te absorberen.

Er is een groeiende belangstelling voor de fabricage van deze materialen, gezien hun brede toepassingsmogelijkheden, maar er is relatief weinig bekend over de mechanismen die hun vorming bepalen. Deze mechanismen zijn direct gekoppeld aan het vermogen om hun vorm en grootte te controleren - kenmerken die de functionaliteit van een kristal bepalen.

Een van de grootste belemmeringen voor het bestuderen van deze vormingsmechanismen was een gebrek aan analytische instrumenten om dit in-situ te doen, zegt Ikeda-Ohno.

Zijn onderzoek was aanvankelijk gericht op het observeren van het effect van hydrolyse op Cerium (IV) en het ontwikkelen van een verbeterde analytische strategie, met behulp van een combinatie van spectroscopische instrumenten, om het vormingsproces te observeren en beter te begrijpen. Maar toen gebeurde er iets onverwachts.

"Toen ik voor het eerst schijnbaar transparante oplossingen van Cerium (IV) bij verschillende pH's onderzocht met behulp van een röntgentechniek, realiseerde ik me dat de oplossingen niet waren samengesteld uit eenvoudige opgeloste soorten ... maar zeer kleine colloïdale deeltjes bevatten die niet visueel herkenbaar zijn, " hij zei.

Na het toepassen van aanvullende spectroscopische en microscopische technieken om deze mysterieuze deeltjes te karakteriseren, hij stelde vast dat het in feite ceriumdioxide-nanokristallen waren.

"Als gevolg daarvan we zijn erin geslaagd om het hele evolutieproces van de voorlopersoort tot ceriumdioxide-nanokristallen te observeren, ' staat in het rapport.

"In deze studie heb ik aangetoond dat een combinatie van geavanceerde analytische technieken, met name op synchrotron gebaseerde röntgentechnieken ... bieden een zeer krachtig hulpmiddel om de evolutie van metalen nanokristallen in situ te onderzoeken, ', zegt Ikeda-Ohno.

"Een volledig begrip van het 'evolutie'-proces van de voorlopersoort tot de resulterende nanokristallen stelt ons mogelijk in staat om deze materialen aan te passen aan praktische behoeften."

De volgende stap naar het realiseren van de op hydrolyse gebaseerde fabricagetechniek is het identificeren van de kritische pH-conditie waarbij de nanokristallen beginnen te vormen. Ikeda-Ohno zegt dat de aanpak die hij heeft ontwikkeld daarvoor kan worden gebruikt, en kan ook worden toegepast op andere metalen nanokristallen.