Onderzoekers van Penn State en Purdue University hebben nieuwe materialen ontwikkeld voor verbeterde katalyse met één atoom en toekomstige elektronica.

De materialen, gebaseerd op tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) waaronder disulfiden, diseleniden en telluriden, een verscheidenheid aan interessante eigenschappen hebben die wetenschappers zouden willen exploiteren, speciaal voor de volgende generatie elektronica en katalyse.

Het team deponeerde de edelmetalen goud en zilver op de tweedimensionale TMD-substraten en bestudeerde hoe de metalen zich vormden en groeiden op de TMD-oppervlakken. In elk geval, op één na, de metalen vormden nuldimensionale nanodeeltjes, zoals de theorie voorspelde. Maar in het geval van zilver afgezet op ditelluriden, het zilver vormde een enkele atoomlaag die het gehele substraat bedekte.

"We hebben de experimenten keer op keer geprobeerd, maar zag geen enkel bewijs van vorming van zilveren nanodeeltjes op de overgangsmetaalditelluriden, toch wisten we dat het zilver er was, " zei Yifan Zon, voormalig Penn State-promovendus en hoofdauteur van een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurchemie .

Het team ontdekte dat de interfaces tussen de TMD's en de edelmetalen belangrijk waren bij het bepalen van de groei en de uiteindelijke structuur van de metalen.

"Dat was echt interessant voor ons en biedt nieuwe inzichten in hoe de interfaces tussen 2D- en 3D-nanostructuren kunnen worden onderzocht, ’ voegde Zon eraan toe.

Het team gelooft dat deze kennis nuttig zal zijn in een belangrijk gebied van de chemie, single-atom katalyse genaamd. Het probleem waarmee katalyse met één atoom momenteel wordt geconfronteerd, is dat naarmate de dichtheid van de katalytische atomen toeneemt, ze de neiging hebben om aggregaten te vormen die zich clusteren in nanodeeltjes, wat de katalytische activiteit verlaagt. Aangezien meer dan 85 procent van de chemicaliën door katalyse wordt geproduceerd, een proces met één atoom dat niet aggregeert, kan enorme voordelen hebben.

"Het proces stelt ons in staat om in de toekomst na te denken over hoe je katalysatoren met één atoom kunt ontwerpen die minimale hoeveelheden van deze dure edelmetalen bevatten en daardoor verbeterde eigenschappen hebben, " zei Ray Schaak, Dupont hoogleraar scheikunde, en corresponderende auteur op het Nature Chemistry paper.

Een andere plek waar mensen dit soort materiaal graag zouden willen gebruiken, is de elektronica. Ze moeten vaak contact maken met een metalen draad en dit soort groei op TMD's geeft dat verankeringspunt.

"2-D-metalen zijn een opkomend gebied en het was erg moeilijk om mensen ervan te overtuigen dat we een 2-D-zilverlaag hadden, " zei Mauricio Terrones, Verne M. Willaman hoogleraar natuurkunde, en vooraanstaand hoogleraar natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde en techniek, Penn State. "Het gebeurt niet met andere materialen."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan andere metalen te proberen die interessantere katalytische eigenschappen hebben dan zilver.