Blød landing og partikeldækning er nøglen til at bevare eller miste ladningen på overflader

(Phys.org) – At producere bæredygtig energi kræver materialer med specifikke fysiske og kemiske egenskaber, der styres af størrelsen og den elektriske ladning af små metalpartikler, og forskere ved Pacific Northwest National Laboratory har opdaget, hvordan man præcist kontrollerer begge egenskaber. Faste katalysatorer er typisk lavet af bittesmå metalklynger spredt på et bærende materiale. For mere effektivt at fordele klyngerne på supporten, et lag af "strengede" molekyler kan bruges til at binde klyngerne til overfladen. PNNL-holdet fandt ud af, at egenskaberne af disse strenge styrer antallet af ladninger, der bæres af de katalytiske klynger spredt på toppen af ​​laget.

"Når du udvikler katalysatorer, afgiftsspørgsmål, " sagde Dr. Julia Laskin, en fysisk kemiker ved PNNL, der ledede denne forskning. "Vi har brug for bedre værktøjer til at måle ladningstilstande af katalytiske molekyler på overflader."

Katalysatorer er komplicerede materialer designet til at øge effektiviteten og reducere spildet forbundet med at skabe produkter såsom brændstoffer, plastik og lægemidler. Forbedring af katalysatorer kan gøre det muligt at fremstille brændstoffer og andre materialer med mindre energi og mindre spild. Nuværende faste katalysatorer, der virker på flydende eller gasformige reagenser, er ofte sammensat af dårligt definerede metalnanopartikler fordelt tilfældigt på bærende materialer med store overfladearealer. I modsætning, den næste generation af katalysatorer vil blive formuleret ud fra kontrollerede mesoskala samlinger af metalklynger med egenskaber, der afhænger af antallet af metalatomer og ladningstilstand. At samle veldefinerede metalklynger i mesoskala strukturer til katalyse, der er brug for teknikker, der giver præcis kontrol over størrelsen, ladetilstand, og tæthed af metalklynger på overflader.

"Vores tilgang giver atom-for-atom kontrol af størrelsen og elektron-for-elektron kontrol af ladningstilstanden af ​​metalklynger på overflader, " sagde Dr. Grant Johnson, en fysisk kemiker involveret i undersøgelsen og tidligere Linus Pauling Fellow, der for nylig kom til laboratoriet som fuldtidsforsker.

Ved design af katalysatorer eller andre energirelaterede materialer, en kok og se tilgang bruges ofte. Forskere tager sandsynlige materialer og kombinationer, anvende ekspertise og intuition, og syntetisere de nye materialer, der er nødvendige. Denne proces er dyr og tidskrævende. Grundlæggende viden og atomisk præcis kontrol er nødvendig for rationelt at designe de materialer, forskerne ønsker. Indtast PNNL-holdet.

Forskningen kommer i to dele:syntese af metalklyngerne og blød landing af størrelsesudvalgte klynger på overflader. Klyngerne brugt i undersøgelsen er tredobbelt ladede positive ioner (+3) mindre end 1 nanometer i diameter. De indeholder præcis 11 guldatomer.

"Den største udfordring var ikke syntesen, men karakteriseringen - at finde ud af, hvor mange ladninger klyngerne beholder, efter at de er blødt landet på overflader, sagde Thomas Præst, en bachelor-praktikant, der arbejdede på studiet. "Det er ret spændende at observere, hvor forskellige de er afhængigt af overfladens egenskaber." Præst, som var anden forfatter på to tidsskriftsartikler, der beskrev forskning udført under hans praktikophold, syntetiserede løsningerne af guldklynger. Priest arbejder nu på sin kandidatgrad i ingeniør ved University of Louisville.

Overfladerne, hvorpå guldklyngerne blev aflejret, er en bund af guld med et monolag af molekyler indeholdende en kulbrintekæde og afsluttet med en anden funktionel gruppe, såsom -CH ₃ , -CF ₃ eller  -COOH. Ved at variere den terminale funktionelle gruppe, molekylernes polaritet blev indstillet fra lille til ekstrem. Molekylernes polaritet bestemmer monolagets tilbøjelighed til tunnelelektroner ved et bestemt potentiale.

Elektrontunnelering gennem laget har en stærk effekt på ladningen af ​​blødlande flerladede klyngeioner på overfladen. For eksempel, når der anvendes et mildt polært carbonhydridbaseret monolag, de bløde landede 3+ guldklynger får op til tre elektroner fra overfladen, derved bliver neutral. I modsætning, på den meget polære fluorbaserede overflade, guldklyngerne beholder deres 3+ ladning, får ingen elektroner fra overfladen. De polære molekyler i monolaget introducerer en grænsefladedipol, i det væsentlige en ladningsbarriere mellem overfladen og klyngen.

Efter denne opdagelse, forskerne fortsatte med at se, om dækning af overfladen i et tættere lag af flerladede guldklynger ændrede klyngernes ladninger. Fra et afgiftssynspunkt, hele resultatet ændrede sig pludselig. På den fluorbaserede overflade i de tidligere eksperimenter, alle klyngerne beholdt deres +3 ladning. Nu, overfladen havde et centrum af guldklynger med en +1 ladning og, ved kanterne, klyngerne var overvejende +2 og +3.

Hvorfor skete dette?

"Det større antal multiple ladede klynger aflejret på overfladen opbyggede et tilstrækkeligt potentiale til at lade elektronerne fra overfladen tunnelere til guldklyngerne, derved reducere deres ladetilstand, " forklarede Johnson. "Forståelse af, hvordan disse tunnelbarrierer bryder ned, giver videnskabsmænd den viden, de har brug for til at kontrollere materialets ladninger."

Laskin og Johnson bruger nu denne viden til at forberede specialiserede mesoskala-arrays af veldefinerede metalklynger på overflader. Disse arrays kunne have applikationer i brændselsceller, og effektive energikilder.