Goud is het edelste metaal - het meest bestand tegen oxidatie. Echter, goud van nanoformaat heeft een uniek vermogen om als katalysator te werken, zelfs bij lage temperaturen. Het onderliggende mechanisme voor deze grootteafhankelijke verandering in eigenschappen heeft wetenschappers in verwarring gebracht sinds het fenomeen eind jaren tachtig werd ontdekt.

Een team van onderzoekers, inclusief Yingge Du, Chongmin Wang, en Jun Li van het Pacific Northwest National Laboratory, uiteengezet om deze vraag te beantwoorden met behulp van state-of-the-art aberratie-gecorrigeerde omgevingstransmissie-elektronenmicroscopie. Hun werk heeft nieuwe inzichten opgeleverd over de uitzonderlijke katalytische eigenschappen van ultrakleine gouddeeltjes wanneer ze worden blootgesteld aan reactantgas. Details van hun bevindingen zijn gepubliceerd in een Proceedings van de National Academy of Sciences paper getiteld "Grootte-afhankelijke dynamische structuren van ondersteunde gouden nanodeeltjes in CO-oxidatiereactieconditie."

In situ studies van ultrakleine goudclusters in een reactieve omgeving ontbraken, waardoor het moeilijk is om de oorsprong van het grootte-effect bij katalyse te verifiëren. Deze studie gebruikte in situ transmissie-elektronenmicroscopie om te onthullen dat gouden nanodeeltjes, wanneer geïsoleerd tot een kritische grootte, dynamische structurele veranderingen ondergaan onder de katalytische werkomstandigheden, en alle goudatomen in een cluster kunnen worden geactiveerd om de katalytische reacties te bevorderen. Bewijs van de transformatie op deze ultrakleine schaal kan alleen worden verkregen door karakterisering in situ en operando.

Deze bevinding daagt het klassieke denken uit dat goud als katalysator dezelfde structuur behoudt tussen statische en katalytische omstandigheden. In feite, deze anders stabiele ultrakleine goudclusters kunnen transformeren naar een metastabiele fase. De resultaten suggereren ook dat de nanokatalysatoren kunnen werken als dynamisch gegenereerde katalysatoren met één atoom, een concept dat een opmerkelijke recente interesse heeft gewekt in de katalysegemeenschap.

"De gedetailleerde structuur-stabiliteit-eigenschaprelaties die hier worden vastgesteld, kunnen leiden tot een paradigmaverschuiving bij het ontwerpen van atoomefficiënte katalysatoren, "zegt Wang.

Ultrakleine goudclusters ondersteund op enkelkristallijn ceriumoxide [CeO ₂ (111)] dunne films werden blootgesteld aan reactant koolmonoxide en zuurstof (CO + O ₂ ) gas met behulp van in situ omgevingselektronenmicroscopie gecombineerd met computationele modellering en ab initio moleculaire-dynamische simulaties. De onderzoekers observeerden verschillende structurele reacties op het reactantgas, afhankelijk van de grootte van het nanodeeltje. In zijn ultrakleine (tientallen atomen) vorm, een gouden nanodeeltje vertoonde dynamische structurele veranderingen onder de katalytische werkconditie; de intrinsieke structuur ging verloren en de clusters raakten ontregeld, terwijl dynamische laaggecoördineerde atomen aan het oppervlak werden gevormd. De ab initio moleculaire-dynamische simulaties bevestigden deze waarnemingen en onthulden verder dat het genereren van dynamische laaggecoördineerde atomen via goud-carbonylsoorten zou kunnen fungeren als dynamische actieve centra voor CO-oxidatie.

Voor iets grotere nanodeeltjes (tot een paar honderd atomen), de anders stabiele, op het vlak gecentreerde kubische structuur getransformeerd tot een ongeordende structuur onder CO en O ₂ blootstelling, die vloeibaar werd en tegelijkertijd laaggecoördineerde goudatomen vormde.

In tegenstelling tot, de grotere nanodeeltjes behielden hun structuur terwijl ze gelokaliseerde oppervlaktereconstructies ondergingen.

De grootte-afhankelijke structurele respons op reactantgas, vooral generatie van dynamische laaggecoördineerde Au-atomen in ultrakleine gouddeeltjes, kan de reactie effectief stimuleren door eenvoudig transport van de CO naar reactieplaatsen, vandaar het afbakenen van een hoofdoorzaak waarom kleine afmetingen belangrijk zijn voor goudkatalyse en waarom grotere gouden nanodeeltjes de neiging hebben inert te worden.

Het team is van mening dat er meer moet worden gedaan om te onderzoeken hoe de gouden nanodeeltjes transformeren van hun geordende structuur naar een ongeordende structuur, en om te begrijpen of dit grootte-effect ook bestaat in andere katalytische systemen. Ze zijn op zoek naar aanvullende financiering en middelen om uitgebreid onderzoek op dit gebied te ondersteunen.