Ingeniører åbner døren til et stort nyt bibliotek med små nanopartikler

Udviklingen af ​​bimetalliske nanopartikler (dvs. små partikler sammensat af to forskellige metaller, der udviser flere nye og forbedrede egenskaber) repræsenterer et nyt forskningsområde med en lang række potentielle anvendelser. Nu, et forskerhold ved University of Maryland (UMD) 's A. James Clark School of Engineering har udviklet en ny metode til blanding af metaller, der generelt vides at være ublandbare, eller ikke blandbar, på nanoskala for at skabe en ny serie af bimetalliske materialer. Et sådant bibliotek vil være nyttigt til at studere disse bimetalliske partiklers rolle i forskellige reaktionsscenarier, såsom omdannelse af kuldioxid til brændstof og kemikalier.

Studiet, ledet af professor Liangbing Hu, blev offentliggjort i Videnskab fremskridt den 24. april, 2020. Research Associate Chunpeng Yang fungerede som første forfatter på undersøgelsen.

"Med denne metode, vi kan hurtigt udvikle forskellige bimetaller ved hjælp af forskellige elementer, men med samme struktur og morfologi, "sagde Hu." Så kan vi bruge dem til at screene katalytiske materialer til en reaktion; sådanne materialer vil ikke være begrænset af at syntetisere vanskeligheder. "

Den komplekse natur af nanostrukturerede bimetalliske partikler gør det vanskeligt at blande sådanne partikler ved hjælp af konventionelle metoder, af forskellige årsager - herunder metallernes kemiske sammensætning, partikelstørrelse, og hvordan metaller indretter sig på nanoskalaen.

Denne nye ikke-ligevægtssyntesemetode udsætter kobberbaserede blandinger for et termisk chok på cirka 1300 grader Celsius i 0,02 sekunder og afkøler dem derefter hurtigt til stuetemperatur. Målet med at bruge et så kort interval af termisk varme er hurtigt at fange, eller 'fryse, 'metalmetomer ved høj temperatur ved stuetemperatur, samtidig med at deres blandetilstand bevares. Derved, forskergruppen var i stand til at forberede en samling af homogene kobberbaserede legeringer. Typisk, kobber blander sig kun med et par andre metaller, såsom zink og palladium - men ved at bruge denne nye metode, teamet udvidede det blandbare område til at omfatte kobber med nikkel, jern, og sølv, såvel.

"Ved hjælp af et scannende elektronmikroskop og transmissionselektronmikroskop, vi var i stand til at bekræfte morfologien-hvordan materialerne dannede-og størrelsen af ​​de resulterende Cu-Ag [kobber-sølv] bimetalliske nanopartikler, "Sagde Yang.

Denne metode vil gøre det muligt for forskere at skabe mere forskellige nanopartikelsystemer, strukturer, og materialer med anvendelser i katalyse biologiske anvendelser, optiske applikationer, og magnetiske materialer.

Som et modelsystem til hurtig katalysatorudvikling, teamet undersøgte kobberbaserede legeringer som katalysatorer for carbonmonoxidreduktionsreaktioner, i samarbejde med Feng Jiao, professor ved University of Delaware. Elektrokatalysen af ​​kuliltereduktion (COR) er en attraktiv platform, tillader forskere at bruge drivhusgas og vedvarende elektrisk energi til at producere brændstoffer og kemikalier.

"Kobber er, så langt, den mest lovende monometalliske elektrokatalysator, der driver reduktion af kulilte til værditilvækstkemikalier, "sagde Jiao." Evnen til hurtigt at syntetisere en lang række kobberbaserede bimetalliske nano-legeringer med en ensartet struktur gør det muligt for os at foretage grundlæggende undersøgelser af forholdet mellem struktur og ejendom i COR og andre katalysatorsystemer. "

Den ikke-ligevægtssyntetiske strategi kan udvides til at omfatte andre bimetalliske eller metaloxidsystemer, også. Ved hjælp af kunstig intelligens-baseret maskinlæring, den nye syntetiske metode vil muliggøre hurtig katalysatorscreening og rationelt design.