Effektiv produktionsproces for eftertragtede nanokrystaller

En dannelsesmekanisme af nanokrystallinsk ceriumdioxid (CeO2), et alsidigt nanomateriale, er blevet afsløret af forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og University of New South Wales i Sydney, Australien. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Kemi – Et europæisk tidsskrift . Denne opdagelse forenkler og lindrer potentielt de eksisterende syntetiske processer af nanokrystallinsk CeO2-produktion.

Nanokrystallinske CeO2-partikler er meget udbredt, for eksempel, i katalysatorer til behandling af farlige gasser, i elektroder til fast oxid brændselsceller, i poleringsmaterialer til avancerede integrerede kredsløb, inden for solcreme kosmetik, og i sådanne medicinske anvendelser som kunstig superoxiddismutase. Nuværende industrielle synteser af nanokrystallinsk CeO2 er baseret på sol-gel-processer efterfulgt af termisk behandling og/eller tilsætning af accelererende reagenser. Enhver yderligere forbedring af den syntetiske strategi for CeO2 nanokrystaller kræver en bedre forståelse af de mekanismer, der er involveret i deres dannelse på atomær skala.

Dr. Atsushi Ikeda-Ohno fra University of New South Wales, Australien, sammen med Dr. Christoph Hennig fra HZDR valgt en sofistikeret multispektroskopisk tilgang, der kombinerer dynamisk lysspredning og synkrotron-baserede røntgenteknikker. Disse komplekse undersøgelser involverede brugen af ​​to verdensførende synkrotronfaciliteter i European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrig, og SPring-8 i Hyogo, Japan.

Live overvågning

For første gang nogensinde, forskerne var i stand til at udføre en in-situ-observation af nanokrystallernes evolution. Indtil nu, lidt har været kendt om dannelsesmekanismen af ​​metal nanokrystaller; hovedsagelig fordi der manglede passende analytiske teknikker. De mest udbredte teknikker til metal nanokrystal forskning er elektronmikroskopi og røntgendiffraktion. De er kraftige nok til at visualisere udseendet af nanokrystaller og til at erhverve deres gitterinformation, men de er ikke anvendelige til opløsningstilstanden, hvor udviklingen af ​​metalnanokrystaller finder sted. "For at undersøge dannelsen af ​​nanokrystallinsk CeO2 i en vandig opløsning, vi kombinerede forskellige spektroskopiske teknikker, inklusive dynamisk lysspredning, synkrotron røntgenabsorptionsspektroskopi, og højenergi røntgenspredning, " siger Dr. Atsushi Ikeda-Ohno.

Den information, forskerne har opnået, er grundlæggende for at forenkle og lindre den syntetiske proces af CeO2 nanokrystaller. De afslørede, at ensartede nanopartikler af CeO2 kan fremstilles blot ved pH-justering af tetravalent cerium (Ce(IV)) i en vandig opløsning uden efterfølgende fysisk/kemisk behandling, såsom opvarmning eller tilsætning af accelererende kemikalier. De producerede CeO2-krystaller har en ensartet partikelstørrelse på 2 - 3 nanometer, uanset forberedelsesbetingelserne (fx pH og type pH-justering). Denne partikelstørrelse er præcis i det interval, som er interessant til industrielle anvendelser. Et centralt fund er, at mononukleære Ce(IV)-opløsningsarter ikke resulterer i CeO2-krystaller i nanostørrelse. Forudsætningen er tilstedeværelsen af ​​oligomere Ce(IV)-opløsningsarter, såsom dimerer eller trimere.

"Vi er faktisk meget glade for, at vores multispektroskopiske tilgang også er anvendelig til enhver anden forskning i metal nanokrystaller. Det er derfor, denne undersøgelse bidrager til et spirende forskningsområde om metal nanokrystaller i en bredere sammenhæng, " siger Dr. Christoph Hennig. "Og HZDR's egen målestation ved ESRF giver de bedst mulige muligheder for dette forskningsområde af metal nanokrystaller, som direkte bidrager til industrielle anvendelser."