Katalysatoren, vaak metalen nanodeeltjes, zijn betrokken bij de productie van meer dan 80% van de commerciële producten zoals kunststoffen, brandstoffen en geneesmiddelen. Rekenmethoden helpen bij het ontwerpen van katalysatoren voor nanodeeltjes die bestaan ​​uit mengsels van metalen, gelegeerde nanodeeltjes genoemd, met een hoge reactie-activiteit en selectiviteit. Echter, het produceren van gelegeerde nanodeeltjes met willekeurige samenstelling in het lab bestaan ​​nog niet. Inderdaad, de fundamentele chemie van de synthese van gelegeerde nanodeeltjes blijft een raadsel.

Daartoe, een onderzoeksteam aan de Universiteit van Maryland (UMD) onder leiding van Taylor Woehl, een assistent-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering (ChBE), een nieuwe methode toegepast - in situ vloeistoffasetransmissie-elektronenmicroscopie (LP-TEM) -synthese - waardoor de moleculaire en nanoschaalprocessen die bepalen hoe metalen zich vermengen tot gelegeerde nanodeeltjes tijdens natte chemische synthese nader kunnen worden bekeken. Mei Wang, een ChBE Ph.D. Student, diende als eerste auteur van de studie, gepubliceerd in ACS Nano .

"We observeerden de vorming van nanodeeltjes gemaakt van goud en koper - veelbelovende katalysatoren voor het omzetten van CO ₂ in waardevolle organische moleculen - in realtime op de nanometerlengteschaal, " zei Wang. "Met deze methode, de synthese van nanodeeltjes wordt bereikt door een vloeibare voorloper te bestralen met hoogenergetische elektronen om de omstandigheden van natte chemie te simuleren. We hebben omstandigheden voor elektronensynthese gevonden die de natte chemische synthese nauw nabootsen, wat verrassend was, aangezien de stralingsdosis die het monster ontvangt vele malen groter is dan in een commerciële kernreactor."

Door deze voorwaarden te ontdekken, de auteurs zorgden ervoor dat wat ze zagen met LP-TEM representatief was voor wat er gebeurt tijdens natte chemische synthese op de tafel. Reactiesimulaties toonden aan dat organische liganden in de oplossing, normaal gebruikt om de grootte en stabiliteit van de nanodeeltjes te regelen, beschermen de reactie-oplossing tegen beschadiging door de hoge energie-elektronen.

Een belangrijke observatie in het onderzoek was dat de aanwezigheid van een organisch ligand van cruciaal belang was voor het combineren van goud en koper tot goed gemengde gelegeerde nanodeeltjes.

"We ontdekten dat het ligand legeringsvorming mogelijk maakte door covalent te binden aan goud en koper om complexe ionen te vormen, " zei Woehl. Beeldvorming met atoomresolutie en massaspectrometrie toonden aan dat de complexe ionen werden omgezet in intermediaire soorten in de synthesereactie, prenucleatieclusters genoemd. We vonden deze clusters, elk bestaande uit een paar goud- en koperatomen, waren cruciaal voor het vormen van een legering."

De intermediaire soorten werden vervolgens samengevoegd tot nanokristallen met een vergelijkbare samenstelling. Deze route voor de vorming van nanokristallen verschilt van het klassieke beeld van afzonderlijke atomen die samenkomen in een nanodeeltje.

De auteurs ontdekten dat de organische liganden een belangrijke secundaire rol spelen bij het aanmoedigen van de vorming van prenucleatieclusters die zowel goud- als koperatomen bevatten. Deze bevindingen suggereren dat controle over metaalclustertussenproducten de sleutel is tot de synthese van gelegeerde nanodeeltjeskatalysatoren.