Er zit goud in, nanodeeltjes, en er was veel zilver, te. Maar veel van het zilver is weggelogen, en onderzoekers willen weten hoe.

Goud-zilverlegeringen zijn nuttige katalysatoren die milieuverontreinigende stoffen afbreken, de productie van kunststoffen en chemicaliën vergemakkelijken en bacteriën op oppervlakken doden, onder andere toepassingen. In nanodeeltjesvorm, deze legeringen kunnen nuttig zijn als optische sensoren of om waterstofontwikkelingsreacties te katalyseren.

Maar er is een probleem:zilver blijft niet altijd zitten.

Een nieuwe studie door wetenschappers van Rice University en de University of Duisburg-Essen, Duitsland, onthult een tweestapsmechanisme achter de dissipatie van zilver, een ontdekking die de industrie zou kunnen helpen bij het verfijnen van legeringen van nanodeeltjes voor specifieke toepassingen.

Het team onder leiding van Rice-chemici Christy Landes en Stephan Link en afgestudeerde student Alexander Al-Zubeidi en Duisburg-Essen-chemicus Stephan Barcikowski gebruikten geavanceerde microscopie om te laten zien hoe goud genoeg zilver kan vasthouden om het nanodeeltje te stabiliseren.

Hun studie verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

De onderzoekers gebruikten een hyperspectrale donkerveld-beeldvormingsmicroscoop om nanodeeltjes van goud-zilverlegeringen te bestuderen die een overmaat aan zilver in een zure oplossing bevatten. Door de techniek konden ze plasmonen activeren, rimpelingen van energie die over het oppervlak van deeltjes stromen wanneer ze worden aangestoken. Deze plasmonen verstrooien licht dat verandert met de samenstelling van de legering.

"De afhankelijkheid van het plasmon van de legeringssamenstelling stelde ons in staat om de uitlogingskinetiek van zilverionen in realtime vast te leggen, " zei Al-Zubeidi, hoofdauteur van de studie.

Al-Zubeidi merkte op dat films van goud- en zilverlegeringen al tientallen jaren in gebruik zijn, vaak als antibacteriële coatings, omdat zilverionen giftig zijn voor bacteriën. "Ik denk dat het mechanisme voor het vrijgeven van zilver is geïmpliceerd uit studies van legeringsfilms, maar het is nooit kwantitatief bewezen, " hij zei.

aanvankelijk, zilverionen logen snel uit nanodeeltjes, die daardoor letterlijk krimpen. Naarmate het proces vordert, het gouden rooster geeft in de meeste gevallen al het zilver vrij na verloop van tijd, maar ongeveer 25% van de deeltjes gedraagt ​​zich anders en de zilveruitloging is onvolledig.

Al-Zubeidi zei dat wat ze hebben waargenomen, suggereert dat goud kan worden gemanipuleerd om de nanodeeltjes van de legering te stabiliseren.

"Gewoonlijk duurt het uitlogen van zilver ongeveer twee uur onder onze omstandigheden, "zei hij. "Toen in de tweede fase, de reactie vindt niet meer plaats aan het oppervlak. In plaats daarvan, terwijl het gouden rooster zich herschikt, de zilverionen moeten door dit goudrijke rooster diffunderen om het oppervlak te bereiken, waar ze kunnen worden geoxideerd. Dat vertraagt ​​de reactiesnelheid enorm.

"Op een gegeven moment, de deeltjes passiveren en er kan geen uitloging meer plaatsvinden, " zei Al-Zubeidi. "De deeltjes worden stabiel. Tot dusver, we hebben alleen gekeken naar deeltjes met een zilvergehalte van 80%-90%, en we ontdekten dat veel van de deeltjes stoppen met het uitlogen van zilver wanneer ze een zilvergehalte van ongeveer 50% bereiken.

"Dat zou een interessante samenstelling kunnen zijn voor toepassingen als katalyse en elektrokatalyse, " zei hij. "We willen graag een goede plek vinden rond de 50%, waar de deeltjes stabiel zijn maar nog veel van hun zilverachtige eigenschappen hebben."

Het begrijpen van dergelijke reacties zou onderzoekers kunnen helpen bij het opbouwen van een bibliotheek van goud-zilverkatalysatoren en elektrokatalysatoren voor verschillende toepassingen.

Link zei dat het Rice-team de kans om met Barcikowski samen te werken verwelkomde, een leider op het gebied van synthese van nanodeeltjes via laserablatie. "Dit maakt het mogelijk om legeringsnanodeeltjes te maken met verschillende samenstellingen en vrij van stabiliserende liganden, " hij zei.

"Van onze kant, we hadden de perfecte techniek om het proces van uitloging van zilverionen uit veel nanodeeltjes van enkelvoudige legering parallel te bestuderen via hyperspectrale beeldvorming, " voegde Landes eraan toe. "Alleen een benadering met één deeltje was in staat om de intra- en interdeeltjesgeometrie op te lossen."

"Deze inspanning zal een nieuwe benadering mogelijk maken om nanogestructureerde katalysatoren en nieuwe materialen te genereren met unieke elektrochemische, optische en elektronische eigenschappen, " zei Robert Mantz, programmamanager elektrochemie bij het Army Research Office, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Command. "Het vermogen om katalysatoren op maat te maken is belangrijk om het doel te bereiken om het door soldaten gedragen gewicht in verband met energieopslag en -opwekking te verminderen en nieuwe materiaalsynthese mogelijk te maken."