Overfladediffusion spiller en nøglerolle i at definere formerne på katalytiske nanopartikler

Det kan være mere kompliceret at kontrollere formerne for katalytiske og elektrokatalytiske partikler i nanometerstørrelse fremstillet af ædelmetaller, såsom platin og palladium, end tidligere antaget.

Ved hjælp af systematiske eksperimenter, forskere har undersøgt, hvordan overfladediffusion - en proces, hvor atomer bevæger sig fra et sted til et andet på nanoskalaoverflader - påvirker partiklernes endelige form. Problemet er vigtigt for en bred vifte af applikationer, der bruger specifikke former til at optimere aktiviteten og selektiviteten af ​​nanopartikler, inklusive katalysatorer, brændselscelle teknologi, kemisk katalyse og plasmonik.

Resultaterne af forskningen kan føre til en bedre forståelse af, hvordan man håndterer diffusionsprocessen ved at kontrollere reaktionstemperaturen og aflejringshastigheden, eller ved at indføre strukturelle barrierer designet til at hindre atoms overfladebevægelse.

"Vi ønsker at kunne designe syntesen til at producere nanopartikler med den nøjagtige form, vi ønsker for hver specifik applikation, " sagde Younan Xia, en professor i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech and Emory University. "Grundlæggende det er vigtigt at forstå, hvordan disse former dannes, at visualisere, hvordan dette sker på strukturer over en længdeskala på omkring 100 atomer."

Forskningen blev rapporteret 8. april i den tidlige online-udgave af tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ). Forskningen blev sponsoreret af National Science Foundation (NSF).

Kontrol af formen på nanopartikler er vigtig i katalyse og andre applikationer, der kræver brug af dyre ædelmetaller såsom platin og palladium. For eksempel, optimering af formen af ​​platinnanopartikler kan forbedre deres katalytiske aktivitet væsentligt, reducere efterspørgslen efter det dyrebare materiale, bemærkede Xia, som er en fremragende forsker i Georgia Research Alliance (GRA) inden for nanomedicin. Xia har også fælles ansættelser i School of Chemistry and Biochemistry og School of Chemical and Biomolecular Engineering ved Georgia Tech.

"Kontrol af formen er meget vigtig for at justere aktiviteten af ​​katalysatorer og for at minimere belastningen af ​​katalysatorerne, " sagde han. "Kontrol af form er også meget vigtig i plasmoniske applikationer, hvor formen styrer, hvor optiske absorptions- og spredningstoppe er placeret. Form er også vigtigt for at bestemme, hvor de elektriske ladninger vil blive koncentreret om nanopartikler."

Selvom vigtigheden af ​​partikelform på nanoskala har været velkendt, forskere havde ikke før forstået betydningen af ​​overfladediffusion for at skabe den endelige partikelform. Tilføjelse af atomer til hjørnerne af platin terninger, for eksempel, kan skabe partikler med udstående "arme", der øger den katalytiske aktivitet. Konvekse overflader på kubiske partikler kan også give bedre ydeevne. Men de fordelagtige former skal skabes og vedligeholdes.

Naturlige energetiske præferencer relateret til arrangementet af atomer på de små strukturer favoriserer en sfærisk form, der ikke er ideel for de fleste katalysatorer, brændselsceller og andre applikationer.

I deres forskning, Xia og hans samarbejdspartnere varierede temperaturen i processen, der bruges til at deponere atomer på metalliske nanokrystaller, der fungerede som frø til nanopartiklerne. De varierede også de hastigheder, hvormed atomer blev aflejret på overfladerne, som blev bestemt af den injektionshastighed, hvormed et kemisk forstadiemateriale blev indført. Diffusionshastigheden bestemmes af temperaturen, med højere temperaturer, der gør det muligt for atomerne at bevæge sig hurtigere rundt på nanopartiklernes overflader. I forskningen, bromidioner blev brugt til at begrænse bevægelsen af ​​de tilføjede atomer fra en del af partiklen til en anden.

Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, forskerne observerede de strukturer, der blev dannet under forskellige forhold. Ultimativt, de fandt ud af, at forholdet mellem aflejringshastigheden og diffusionshastigheden bestemmer den endelige form. Når forholdet er større end én, de adsorberede atomer har en tendens til at blive, hvor de er placeret. Hvis forholdet er mindre end én, de har en tendens til at bevæge sig.

"Medmindre atomreaktionen er på absolut nul, du vil altid have en vis spredning, " sagde Xia, som har Brock Family Chair i Institut for Biomedicinsk Teknik. "Men hvis du kan tilføje atomer til overfladen på de steder, du vil have dem hurtigere, end de kan diffundere, du kan kontrollere den endelige destination for atomerne."

Xia mener, at forskningen også kan føre til forbedrede teknikker til at bevare nanopartiklernes unikke former selv ved høje driftstemperaturer.

"Grundlæggende det er meget nyttigt for folk at vide, hvordan disse former dannes, " sagde han. "De fleste af disse strukturer var blevet observeret før, men folk forstod ikke, hvorfor de blev dannet under visse forhold. At gøre det, vi skal være i stand til at visualisere, hvad der sker på disse små strukturer. "

Xias forskerhold undersøgte også virkningen af ​​diffusion på bimetalliske partikler bestående af både palladium og platin. Kombinationen kan forbedre visse egenskaber, og fordi palladium i øjeblikket er billigere end platin, anvendelse af en kerne af palladium dækket af et tyndt lag platin giver den katalytiske aktivitet af platin, mens omkostningerne reduceres.

I dette tilfælde, overfladediffusion kan være nyttig til at dække palladiumoverfladen med et enkelt monolag af platin. Kun platinumatomer på overfladen vil kunne levere de katalytiske egenskaber, mens palladiumkernen kun tjener som støtte.

Forskningen er en del af en langsigtet undersøgelse af katalytiske nanopartikler, der udføres af Xias forskergruppe. Andre aspekter af holdets arbejde omhandler biomedicinske anvendelser af nanopartikler inden for områder som kræftbehandling.

"Vi er meget begejstrede for dette resultat, fordi det er generisk og kan anvendes til at forstå og kontrollere diffusion på overfladen af ​​mange systemer, "Tilføjede Xia. "I sidste ende ønsker vi at se, hvordan vi kan drage fordel af denne diffusion til at forbedre de katalytiske og optiske egenskaber af disse nanopartikler."