Nanoskala billeddannelsesmetode giver indsigt i legerede nanopartikelsyntese

Katalysatorer, ofte metal nanopartikler, er involveret i produktionen af ​​over 80 % af kommercielle produkter såsom plastik, brændstoffer og lægemidler. Beregningsmetoder hjælper med at designe nanopartikelkatalysatorer bestående af blandinger af metaller, kaldet legerede nanopartikler, med høj reaktionsaktivitet og selektivitet. Imidlertid, at producere legerede nanopartikler med vilkårlig sammensætning i laboratoriet eksisterer endnu ikke. Ja, den grundlæggende kemi i syntese af legerede nanopartikler forbliver en gåde.

Til det formål, et forskerhold ved University of Maryland (UMD) ledet af Taylor Woehl, en adjunkt ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik (ChBE), anvendt en ny metode - in situ væskefase-transmissionselektronmikroskopi (LP-TEM) syntese - som tillader et nærmere kig på de molekylære og nanoskala processer, der styrer, hvordan metaller blandes ind i legerede nanopartikler under våd kemisk syntese. Mei Wang, en ChBE Ph.D. Studerende, fungerede som første forfatter på undersøgelsen, udgivet i ACS Nano .

"Vi observerede dannelsen af ​​nanopartikler lavet af guld og kobber - lovende katalysatorer til omdannelse af CO ₂ til værdifulde organiske molekyler - i realtid på nanometerlængdeskalaen, " sagde Wang. "Med denne metode, syntesen af ​​nanopartikler opnås ved at bestråle en flydende precursor med højenergielektroner for at simulere betingelserne for våd kemi. Vi fandt elektronsynteseforhold, der tæt efterlignede våd kemisk syntese, hvilket var overraskende, da den strålingsdosis prøven modtager er mange gange større end i en kommerciel atomreaktor."

Ved at opdage disse forhold, forfatterne sikrede, at det, de så med LP-TEM, var repræsentativt for, hvad der sker under våd kemisk syntese på bordpladen. Reaktionssimuleringer viste, at organiske ligander i opløsningen, normalt bruges til at kontrollere størrelsen og stabiliteten af ​​nanopartiklerne, beskytte reaktionsopløsningen mod at blive beskadiget af højenergielektronerne.

En central observation i undersøgelsen var, at tilstedeværelsen af ​​en organisk ligand var afgørende for at kombinere guld og kobber til godt blandede legerede nanopartikler.

"Vi fandt ud af, at liganden muliggjorde dannelse af legeringer ved kovalent binding til guld og kobber for at danne komplekse ioner, " sagde Woehl. Atomopløsningsbilleddannelse og massespektrometri viste, at de komplekse ioner blev omdannet til mellemliggende arter i syntesereaktionen, kaldet prænukleationsklynger. Vi fandt disse klynger, hver bestående af nogle få guld- og kobberatomer, var afgørende for at danne en legering."

De mellemliggende arter samledes derefter sammen til nanokrystaller med en lignende sammensætning. Denne nanokrystaldannelsesvej adskiller sig fra det klassiske billede af enkelte atomer, der samles til en nanopartikel.

Forfatterne fandt ud af, at de organiske ligander spiller en vigtig sekundær rolle for at fremme dannelsen af ​​prænukleationsklynger, der indeholder både guld- og kobberatomer. Disse resultater tyder på, at kontrol over metalklyngemellemprodukter er nøglen til syntese af legerede nanopartikelkatalysatorer.