Eksponering for luft omdanner guldlegeringer til katalytiske nanostrukturer

(Phys.org) – Guldbarrer kan betyde stor rigdom, men det ædle metal giver et meget mere praktisk slag, når det krympes ned til blot milliardtedele af en meter. Desværre, at frigøre guldets potentiale kræver ofte komplekse synteseteknikker, der producerer sarte strukturer med ekstrem varmefølsomhed.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har opdaget en proces med at skabe unikt strukturerede guld-indium nanopartikler, der kombinerer høj stabilitet, stort katalytisk potentiale, og en simpel synteseproces. De nye nanostrukturer – detaljeret online 10. juni i Proceedings of the National Academy of Sciences – kan forbedre mange forskellige kommercielle og industrielle processer, herunder fungere som et effektivt materiale til katalysatorer i biler.

"Vi opdagede en stuetemperaturproces, der omdanner en simpel legering til en nanostruktur med bemærkelsesværdige egenskaber, " sagde fysiker Eli Sutter, hovedforfatter på undersøgelsen. "Ved at udsætte guld-indium-legeringens nanopartikler for luft, omgivende oxygen var i stand til at drive en oxidationsreaktion, der omdannede dem til en aktiv kerne-skal struktur."

Større klumper af guld viser den laveste kemiske reaktivitet af alle metaller, men opdelt i diskrete nanopartikler, guld kan blive en meget aktiv kemisk katalysator. Men at holde guldet i denne aktive tilstand er en vedvarende udfordring. Under selv moderat varme, de små guldpartikler har en tendens til at sintre – smelte sammen til meget større stykker – og miste den afgørende reaktivitet. At forbinde guld med andre elementer, imidlertid, kan både øge holdbarheden og bevare katalysatorkvaliteterne - men kun hvis strukturen er perfekt.

"Da vi så disse nye nanopartikler med guld i hele deres amorfe skaller, vi erkendte straks materialets enestående potentiale, " sagde fysiker og studiemedforfatter Peter Sutter. "Tilstedeværelsen af ​​guld indlejret i de yderste atomlag af oxidskallen ophidser os ikke kun som videnskabsmænd, men det er nøglen til den katalytiske aktivitet og forbedrede stabilitet af det nye materiale."

Brookhaven Lab-forskerne studerede oxidationsprocesser, hvorigennem metaller og legeringer kombineres med ilt, da de gjorde opdagelsen. Til denne undersøgelse, de undersøgte legeringer af et ædelmetal og et ikke-ædelmetal gennem en bemærkelsesværdig simpel reaktionsteknik:at give guld-indium nanopartikler lidt plads til at trække vejret. Når nanopartikler af metallegeringen blev udsat for ilt, meget reaktive skaller af guld-indiumoxid dannet på tværs af deres overflader.

"Konventionel visdom ville sige, at oxidation skulle skubbe guldatomerne ind i midten, mens de trækker det mindre ædle indium til overfladen, skabe en ædelmetalkerne, der er omgivet af en skal af ikke-reaktivt indiumoxid, " sagde Peter Sutter. "I stedet, ilten trængte faktisk ind i legeringen. Efter oxidation, legeringskernen af ​​nanopartiklerne var indkapslet af en nydannet tynd skal af blandet guld-indiumoxid."

Indfangning af guld i den amorfe oxidskal bevarer sine katalytiske egenskaber og forhindrer guldet i at sintre og blive inert. De nye nanostrukturer viste sig i stand til at omdanne ilt og kulilte til kuldioxid, demonstrerer deres aktivitet som katalysator.

"Indium og guld i skallen er ikke mobile, men er frosset i det amorfe, oxid, " sagde Eli Sutter. "Vigtigt, den strukturelle integritet holder uden sintring ved temperaturer på op til 300 grader Celsius, gør disse bemærkelsesværdigt modstandsdygtige sammenlignet med andre guld nanokatalysatorer."

Forskningen blev udført ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), hvis unikke faciliteter til syntese og karakterisering i nanoskala viste sig at være central for opdagelsen af ​​denne nye proces.

"CFN samler en bred vifte af state-of-the-art instrumenter og ekspertise under ét tag, fremskynde forskning og lette samarbejde, " sagde Eli Sutter. "Vi brugte transmissionselektronmikroskopi til at karakterisere strukturerne og deres sammensætning, røntgenfotoelektronspektroskopi for at bestemme den kemiske binding ved overfladen, og ionspredningsspektroskopi for at identificere de yderste atomer af nanopartikelskallen."

Yderligere undersøgelser vil hjælpe med at bestemme egenskaberne af guld-indiumoxidpartiklerne i forskellige katalytiske reaktioner, og den samme oxidationsproces vil blive anvendt på andre metallegeringer for at skabe en hel familie af nye funktionelle materialer.