Realtidsbillede af kemiske processer

National University of Singapore forskere observerer realtids dannelse af hule strukturer i den galvaniske udskiftning (GR) reaktion mellem sølv og guld med nanometeropløsning, at få indsigt i mekanismerne bag de strukturelle transformationer.

Hule bimetalliske nanopartikler har et højt forhold mellem overfladeareal og volumen og er gode kandidater til udvikling af katalytiske materialer, fordi de muliggør flere interaktioner mellem reaktanterne og katalysatoroverfladen. GR-reaktionen er en udbredt metode til dannelse af sådanne nanopartikler. Under reaktionen, strukturelle ændringer er drevet af en forskel i elektrokemisk potentiale mellem to forskellige metaller i en løsning, hvilket fører til præferentiel korrosion af det ene metal frem for det andet. Imidlertid, det er stadig en udfordring at producere hule bimetalliske nanopartikler med ensartet størrelse og form ved kemisk syntese, fordi vækstprocessernes præcise roller stadig er uklare.

Et team ledet af prof Utkur MIRSAIDOV fra både Institut for Fysik og Institut for Biologiske Videnskaber, NUS har opnået en mekanistisk forståelse af de strukturelle ændringer under dannelsen af ​​hule sølv -nanokuber, når de reagerer med guldioner i en opløsning. Dette blev opnået ved hjælp af flydende celletransmissionselektronmikroskopi (LC-TEM), som er en ny teknik inden for transmissionselektronmikroskopi, der gør det muligt for forskere at undersøge processer i væsker med nanometeropløsning. De observerede i realtid, at sølv-nanokuberne blev hule via formationen, vækst, og koalescens af indre hulrum. Under udskiftningsreaktionen, metallisk guld afsættes på sølv -nanokubeoverfladen med samtidig opløsning af sølv til opløsning. Den almindelige antagelse er, at sølvkernen vælter gradvist ud gennem et hul i guldskallen. Imidlertid, teamet fandt ud af, at under reaktionen, hulrum dannes ved grænsefladen mellem sølv- og guldmetallerne, ofte nær hjørnerne af nanokuberne og derefter, hulningen fortsætter indad.

Disse LC-TEM-observationer indebærer, at en anden proces, Kirkendall -effekten (KE), bidrager også til udhulning af nanopartikler. KE forekommer ved bimetalliske grænseflader, fordi de to metal diffunderer ind i hinanden med forskellige hastigheder. Det resulterer i dannelse af hulrum på siden af ​​det hurtigere diffunderende metal, hvilket er i overensstemmelse med LC-TEM-observationen. Holdet karakteriserede yderligere ændringerne i de strukturelle transformationer af nanopartiklerne som en funktion af mængden af ​​guldioner til stede i opløsningen og temperaturen i deres omgivelser, som alle peger mod en kobling mellem KE og GR under hulprocessen. Hulrummet vokser hurtigere med stigende temperatur, hvilket angiver hurtigere atomdiffusion og er i overensstemmelse med den adfærd, der forventes for KE.

Forklarer betydningen af ​​resultaterne, Prof Mirsaidov sagde:"Vi er meget begejstrede for disse resultater. Vores team er det første til direkte at observere KE i realtid som en forbigående, mellemtrin i udhulningsreaktionen mellem sølv og guld. Denne tilgang kan potentielt udvides til at studere andre reaktioner i flydende fase ved forhøjede temperaturer, hvilket bringer os tættere på de faktiske reaktionsbetingelser. "