De ontwikkeling van bimetaal nanodeeltjes (d.w.z. kleine deeltjes bestaande uit twee verschillende metalen die verschillende nieuwe en verbeterde eigenschappen vertonen) vertegenwoordigen een nieuw onderzoeksgebied met een breed scala aan potentiële toepassingen. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de A. James Clark School of Engineering van de Universiteit van Maryland (UMD) heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het mengen van metalen waarvan algemeen bekend is dat ze niet mengbaar zijn, of onvermengbaar, op nanoschaal om een ​​nieuwe reeks bimetalen materialen te creëren. Zo'n bibliotheek zal nuttig zijn om de rol van deze bimetaaldeeltjes in verschillende reactiescenario's te bestuderen, zoals de transformatie van koolstofdioxide in brandstof en chemicaliën.

De studie, onder leiding van professor Liangbing Hu, werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 24 april 2020. Onderzoeksmedewerker Chunpeng Yang was eerste auteur van het onderzoek.

"Met deze methode we kunnen snel verschillende bimetalen ontwikkelen met behulp van verschillende elementen, maar met dezelfde structuur en morfologie, " zei Hu. "Dan kunnen we ze gebruiken om katalytische materialen te screenen op een reactie; dergelijke materialen zullen niet worden beperkt door syntheseproblemen."

De complexe aard van nanogestructureerde bimetaaldeeltjes maakt het mengen van dergelijke deeltjes met behulp van conventionele methoden moeilijk, om verschillende redenen, waaronder de chemische samenstelling van de metalen, deeltjesgrootte, en hoe metalen zich rangschikken op nanoschaal.

Deze nieuwe niet-evenwichtssynthesemethode stelt op koper gebaseerde mengsels gedurende 0,02 seconden bloot aan een thermische schok van ongeveer 1300 graden Celsius en koelt ze vervolgens snel af tot kamertemperatuur. Het doel van het gebruik van zo'n kort interval van thermische warmte is om snel vast te houden, of 'bevriezen, ' de metaalatomen op hoge temperatuur bij kamertemperatuur met behoud van hun mengtoestand. Daarbij, het onderzoeksteam kon een verzameling homogene legeringen op koperbasis voorbereiden. Typisch, koper mengt zich alleen met een paar andere metalen, zoals zink en palladium, maar door deze nieuwe methode te gebruiken, het team breidde het mengbare assortiment uit met koper met nikkel, ijzer, en zilver, ook.

"Met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop en transmissie-elektronenmicroscoop, we konden de morfologie bevestigen - hoe de materialen werden gevormd - en de grootte van de resulterende Cu-Ag [koper-zilver] bimetalen nanodeeltjes, ' zei Yang.

Deze methode stelt wetenschappers in staat om meer diverse nanodeeltjessystemen te creëren, structuren, en materialen met toepassingen in katalyse, biologische toepassingen, optische toepassingen, en magnetische materialen.

Als modelsysteem voor snelle katalysatorontwikkeling, het team onderzocht op koper gebaseerde legeringen als katalysatoren voor koolmonoxidereductiereacties, in samenwerking met Feng Jiao, hoogleraar aan de Universiteit van Delaware. De elektrokatalyse van koolmonoxidereductie (COR) is een aantrekkelijk platform, waardoor wetenschappers broeikasgassen en hernieuwbare elektrische energie kunnen gebruiken om brandstoffen en chemicaliën te produceren.

"Koper is, zo ver, de meest veelbelovende monometallische elektrokatalysator die de reductie van koolmonoxide tot chemicaliën met toegevoegde waarde stimuleert, "Zei Jiao. "Het vermogen om snel een breed scala aan op koper gebaseerde bimetaal nanolegeringen met een uniforme structuur te synthetiseren, stelt ons in staat om fundamentele studies uit te voeren naar de structuur-eigenschapsrelatie in COR en andere katalysatorsystemen."

De niet-evenwichtssynthesestrategie kan worden uitgebreid tot andere bimetaal- of metaaloxidesystemen, te. Gebruikmakend van op kunstmatige intelligentie gebaseerde machine learning, de nieuwe synthesemethode maakt snelle katalysatorscreening en rationeel ontwerp mogelijk.