Et varmt bad til guld nanopartikler

Guld nanopartikler, siger Chris Kiely, er hurtigt ved at blive nogle af de mest effektive diplomater i nanoverdenen.

De letter en lang række kemiske reaktioner mellem molekyler, der normalt ikke ville interagere eller kun ville gøre det ved meget højere temperaturer.

Og i de fleste tilfælde, de giver et enkelt gunstigt resultat med få, hvis nogen, uønskede bivirkninger.

Kort sagt, siger Kiely, professor i materialevidenskab og teknik, nanopartiklerne er ekstremt gode katalysatorer.

Konventionelle metoder til fremstilling af guld nanopartikler, imidlertid, ændre partiklernes morfologi og katalytiske aktivitet.

Nu, et internationalt team af forskere har udviklet en procedure, der forbedrer overfladeeksponeringen af ​​guldnanopartikler og deres katalytiske aktivitet over en række reaktioner.

En ny procedure forbedrer konventionen

Holdet rapporterede sine resultater i juli i Naturkemi i en artikel med titlen "Letsom fjernelse af stabilisator-ligander fra understøttede guldnanopartikler."

Dens medlemmer inkluderer Kiely og Graham Hutchings, en kemiker ved Cardiff University i Wales i U.K., som har studeret nanogold sammen i mere end et årti.

"I industrien, " siger Kiely, "den mest almindelige måde at fremstille guld nanokatalysatorer på er først at imprægnere en nanokrystallinsk oxidbærer, såsom titaniumoxid (TiO2) med chloroaurinsyre. En reduktionsreaktion omdanner derefter syren til metalnanopartikler.

"Desværre, dette fører til, at en række guldarter spredes på støtten, såsom isolerede guldatomer, mono- og tolags klynger, ud over nanopartikler af forskellige størrelser.”

En alternativ teknik, der tillader mere præcis kontrol over partikelstørrelse og struktur, er at præforme guldnanopartiklerne i en kolloid opløsning, før de afsættes på underlaget.

Ulempen ved denne metode er, at nanopartiklerne under fremstilling er belagt med organiske molekyler - ligander - der forhindrer dem i at klumpe sig sammen. Når de er deponeret på en støtte, disse ligander har en tendens til at forringe nanopartiklernes katalytiske ydeevne ved at blokere tilgangen af ​​molekyler til aktive steder på metaloverfladen.

En mildere form for ligandfjernelse

Tidligere metoder til at fjerne disse ligander har involveret varmebehandlinger på op til 400 grader C.

"Ved disse temperaturer ændres morfologien af ​​nanopartiklerne, og de begynder at smelte sammen, siger Kiely. "Der er også et betydeligt fald i deres katalytiske aktivitet."

Kiely-Hutchings-teamet udviklede et mildere alternativ til fjernelse af ligander fra polyvinylalkohol-stabiliserede guldnanopartikler aflejret på en titaniumoxidunderstøtning – en simpel vask med varmt vand.

Kandidatstuderende Ramchandra Tiruvalam brugte Lehighs aberrationskorrigerede JEOL 2200 FS transmissionselektronmikroskop til at undersøge katalysatorerne før og efter vask og sammenligne dem med dem, der havde gennemgået varmebehandling for at fjerne liganderne.

"Varmtvandsvask havde meget lille effekt på partikelstørrelsen, " siger Kiely, der leder Lehigh's Nanocharacterization Laboratory, "og mens partiklerne bevarer deres oktaedriske morfologi, deres overflader ser ud til at blive mere tydelige facetterede. Dette skyldes formentlig en vis overfladerekonstruktion, der sker efter tab af en betydelig del af de beskyttende PVA-ligander."

"Opvarmning af prøverne til 400 grader C var også effektiv til at fjerne liganderne, men den gennemsnitlige partikelstørrelse steg fra 3,7 til 10,4 nm, siger Kiely. ”Der var også en tendens til, at partiklerne omstrukturerede og udviklede sig fladere, mere udvidede grænseflader med den underliggende TiO2-understøttelse."

Til oxidation af carbonmonoxid til carbondioxid, katalysatorer fremstillet ved denne kolloide/varmtvandsvask viste mere end dobbelt aktivitet af konventionelle guld/TiO2-katalysatorer. Denne særlige reaktion er afgørende for fjernelse af kulilte fra lukkede rum såsom ubåde og rumfartøjer, forlænge brændselscellernes levetid, og forlænger den brugbare levetid for en brandmandsmaske.

Dette arbejde blev delvist finansieret af National Science Foundation. Tiruvalam er nu forsker hos Haldor Topsoe, en katalysatorvirksomhed i København, Danmark.