For perfekte nanokrystaller, tilsæt blot vand

En forenklet teknik til fremstilling af nanokrystaller af ceriumdioxid (CeO2), som har omfattende teknologiske og industrielle anvendelser, er blevet "uventet" demonstreret af en UNSW-kemiker.

Den UNSW-ledede undersøgelse afslører, at nanokrystaller dannes naturligt, når et forløbermateriale - Cerium (IV) - opløses og hydrolyseres i vand. Det er første gang, denne dannelsesproces er blevet observeret.

Fundene, rapporteret i Kemi – Et europæisk tidsskrift , kunne forenkle den eksisterende produktionsproces, hvilket kræver opvarmning og tilsætning af kemikalier for bedre at kontrollere krystallernes form og størrelse.

"Det vigtigste fund er, at cerium (IV) har en iboende natur til at danne ensartet størrelse nanokrystaller af ceriumdioxid på cirka to til tre nanometer i en vandig opløsning via hydrolyse, " siger hovedforfatter Dr. Atsushi Ikeda-Ohno fra UNSW School of Civil and Environmental Engineering.

"Resultaterne af denne undersøgelse giver et grundlæggende koncept til at forenkle og lette produktionsprocessen og betyder, at vi kun behøver at justere pH-værdien af ​​den vandige opløsning ... uden at opvarme eller tilføje kemikalier, " siger han. "Dette kan spare penge på energiomkostninger og hjælpe med at reducere miljøpåvirkningen af ​​hele produktionsprocessen."

Ceriumdioxid nanokrystaller dannes af det sjældne jordarter Cerium. De bruges som katalysatorer til at behandle farlige gasser - omdanner giftige dampe til mindre skadelige emissioner; som elektroder i brændselsceller; og i solcremer og kosmetik på grund af deres evne til at absorbere høje niveauer af UV-stråling.

Der er stigende interesse for fremstilling af disse materialer, i betragtning af deres vidtspændende anvendelser, men der er relativt lidt kendt om de mekanismer, der styrer deres dannelse. Disse mekanismer er direkte forbundet med evnen til at kontrollere deres form og størrelse – funktioner, der styrer en krystals funktionalitet.

En af de største barrierer for at studere disse dannelsesmekanismer har været mangel på analytiske værktøjer til at gøre det in-situ, siger Ikeda-Ohno.

Hans undersøgelse var oprindeligt fokuseret på at observere effekten af ​​hydrolyse på Cerium (IV) og udvikle en forbedret analytisk strategi, ved hjælp af en kombination af spektroskopiske værktøjer, at observere og bedre forstå dannelsesprocessen. Men så skete der noget uventet.

"Da jeg først undersøgte tilsyneladende gennemsigtige opløsninger af Cerium (IV) ved forskellige pH-værdier ved at bruge en røntgenteknik, indså jeg, at opløsningerne ikke var sammensat af simple opløste arter ... men indeholdt meget små kolloide partikler, som ikke er visuelt genkendelige, " han sagde.

Efter at have anvendt yderligere spektroskopiske og mikroskopiske teknikker til at karakterisere disse mystiske partikler, han fastslog, at de i virkeligheden var ceriumdioxid nanokrystaller.

"Som en konsekvens, det er lykkedes os at observere hele udviklingsprocessen fra forstadiet til ceriumdioxid nanokrystaller, " hedder det i rapporten.

"I denne undersøgelse har jeg vist, at en kombination af avancerede analytiske teknikker, især synkrotron-baserede røntgenteknikker ... giver et meget kraftfuldt værktøj til at undersøge udviklingen af ​​metal nano-krystaller in-situ, " siger Ikeda-Ohno.

"En fuld forståelse af 'evolution'-processen fra forstadiet til de resulterende nanokrystaller gør os muligvis i stand til at skræddersy disse materialer til praktiske behov."

Det næste skridt mod at realisere den hydrolysebaserede fremstillingsteknik er at identificere den kritiske pH-tilstand, hvor nanokrystallerne begynder at dannes. Ikeda-Ohno siger, at den tilgang, han har udviklet, kunne bruges til det formål, og kan også anvendes på andre metal nano-krystaller.