En beregningsmæssig tilgang til at forudsige strukturen af ​​nano-legeringskatalysatorer afsløret

Nanopartikler kan være potente katalysatorer. Bimetalliske nanolegeringer af platin og palladium, for eksempel, kan bidrage til at generere brintbrændstof ved at fremme den elektrokemiske nedbrydning af vand. At identificere den mest aktive nano-legering til en sådan opgave, imidlertid, er fortsat en udfordring; katalytisk ydeevne relaterer direkte til partikelstruktur, og eksperimenter for at etablere atomarrangementet af sådanne små partikler er vanskelige at udføre. Forudsigelse af stabile nano-legeringsstrukturer er nu muligt ved hjælp af en beregningsmetode udviklet af Teck Leong Tan ved A*STAR Institute of High Performance Computing og hans medarbejdere. Deres teknik kan også identificere måder, hvorpå nanopartiklernes atomstruktur kan justeres for at forbedre den katalytiske ydeevne.

Udfordringen med at beregne nanolegeringsstruktur og egenskaber ud fra de første principper er den beregningsmæssige processorkraft, det kræver, siger Tan. Til deres studie, han og hans kolleger betragtede en 55-atom nano-legering partikel, hvert sted i strukturen fyldt med enten et palladium- eller et platinatom. "Der er millioner af mulige legeringskonfigurationer, så det ville være beregningsmæssigt uoverskueligt at lave en direkte søgning ved hjælp af beregninger med de første principper, Tan forklarer.

For at gøre processen overskuelig, forskerne brækkede konceptuelt nanopartiklerne ned i små geometriske underenheder, eller klynger. Fra første principberegninger på et sæt af omkring 100 forskellige legeringsstrukturer, hver bestående af 30 eller deromkring klynger, de genererede en pålidelig model for legeringsadfærd ved hjælp af en tilgang kaldet klyngeudvidelse. Fra denne model, de beregnede hel-nanopartikelegenskaber. "Modellen bruges til hurtigt at søge gennem det enorme konfigurationsrum for lavenergitilstande, " siger Tan. Disse lavenergitilstande repræsenterer de stabile legeringskonfigurationer, der burde eksistere eksperimentelt (se billedet).

Ved at bruge deres beregnede stabile strukturer, Tan og hans medarbejdere forudsagde derefter, hvordan forskellige atomare konformationer påvirker en partikels ydeevne som katalysator. Som en modelreaktion, forskerne undersøgte hydrogenudviklingsreaktionen, den elektrokemiske generering af brintgas. Resultaterne tyder på, at partikelkatalytisk aktivitet vil stige, efterhånden som mere palladium tilsættes, fordi denne legering forbedrer hydrogenbinding på forskellige adsorptionssteder på nanopartikeloverfladen - nyttig information til at vejlede syntesen af ​​nye nanokatalysatorer.

Tilgangen bør være bredt anvendelig til forskning i nanopartikler, bemærker Tan. "Klyngeudvidelsesmetoden kan generelt anvendes på alle legeringssystemer, hvor strukturer og stabiliteter er af interesse, " siger han. Tan planlægger derefter at undersøge virkningen af ​​molekyler adsorberet på en katalysators overflade. "Tilstedeværelsen af ​​adsorberede molekyler fører ofte til ændringer i legeringsstrukturer, derved ændrer den katalytiske ydeevne, " han siger.