Flydende metal nanodråber dannet med ny teknik har lovende egenskaber til katalyse

Flydende metal, planetlignende nanodråber er med succes blevet dannet med en ny teknik udviklet ved RMIT University, Australien. Ligesom vores egen planet Jorden har nanodråberne en ydre "skorpe", en flydende metal "kappe" og en fast "kerne."

Den faste intermetalliske kerne er nøglen til at opnå en mere homogen blanding, der "låser" den samme mængde opløst stof (dvs. "mål"-metallerne) i hver legeret dråbe.

Forskerholdet opnåede homogenitet via fuldstændig opløsning i flydende metalmediet, muliggjort af højtemperatursmeltet salt. Deres artikel, "Synthesis of planet-like flydende metal nanodråber med lovende egenskaber for katalyse," blev offentliggjort i Advanced Functional Materials i juli 2023.

Opdagelsen skaber nye forskningsmuligheder inden for grundlæggende flydende-metal-kemi samt applikationer så forskellige som fleksibel elektronik, faseændringsmaterialer, katalysatorer og brændselsceller og sølvbaserede antimikrobielle stoffer.

Nanodråber i flydende metal ryster fra hinanden

Flydende metaller er dukket op som en lovende ny frontlinje for kemisk forskning i de seneste år, og de har fungeret som en ny reaktionsgrænseflade for opløsningsmidler og katalysatorer.

De kan også fungere som et funktionelt materiale, der tilbyder høj ledningsevne på grund af delokaliserede metalliske bindinger og et blødt, flydende indre.

Med nye katalyse-, sansnings- og nano-elektroniske applikationer, der er afhængige af at opnå store overfladearealer, er syntese af flydende metal nanodråber blevet et vigtigt fokus.

Der er mange kombinationer mulige ved legering til specifikke anvendelser, for eksempel opløsning af kobber (det opløste stof) i flydende gallium (det metalliske opløsningsmiddel).

Nanodråberne af flydende metal er skabt ved mekanisk omrøring ved hjælp af lydbølger i et opløsningsmiddel såsom ethanol eller vand.

Men under denne "sonikering"-proces har flydende metallegeringer haft en tendens til at "aflegere", dvs. at bryde fra hinanden i deres bestanddele.

Dette er et resultat af tidligere metoder, der forsøger at opløse metallerne ved relativt lave temperaturer, nær stuetemperatur. "Ligesom det er muligt at opløse mere sukker i varmt vand end i koldt vand, kan mere kobber opløses i varmere gallium," siger hovedforfatter Caiden Parker, ph.d. kandidat hos RMIT.

Ved lave temperaturer omdannes noget af det opløste metal til større, faste partikler før fuldstændig opløsning.

Den resulterende sammensætning har inkonsekvente, inhomogene egenskaber, hvor sammensætningen af ​​individuelle nanodråber varierer betydeligt. "I ekstreme tilfælde kan mange eller endda de fleste nanodråber i det væsentlige være blottet for det opløste metal, som ender med at blive koncentreret i kun meget få partikler," siger den tilsvarende forfatter Dr. Torben Daeneke, også ved RMIT.

Denne inhomogenitet og tilstedeværelsen af ​​intermetalliske forbindelser udgør betydelige vanskeligheder for forskere, der ønsker at forstå de grundlæggende mekanismer, der virker i flydende metalkemi.

Høje temperaturer og salte danner homogene, planetlignende nanodråber

I den nye undersøgelse løste RMIT-forskere problemet med delegering ved betydeligt at opvarme synteseprocessen (så højt som 400°C) for at sikre, at det opløste metal er fuldstændigt opløst og introducere en nøje udvalgt smeltet saltsuspensionsvæske.

Natriumacetat blev valgt, fordi det forbliver stabilt ved høj temperatur og nemt kan fjernes bagefter.

De resulterende nanodråber har en interessant planetlignende struktur bestående af en ydre (oxid)skal, en flydende (metal)kappe og en suspenderet, solid central kerne (intermetallisk).

"Vi blev straks slået af nanodråbernes lighed med en jordlignende planet med en solid ydre skal, en flydende metalkappe og en solid metalkerne," siger Caiden.

Den faste kerne er nøglen til succesen med den nye teknik, der "låser" den samme mængde opløst stof i hver legeret dråbe.

"Vi var også glade for at se, at vores nye metalliske planetlignende nanodråber var overalt," fortsætter Caiden.

Systemet var homogent spredt, med udbyttet væsentligt forbedret. Transmission Electron Microscope (TEM)-analyse bekræftede, at kernestrukturen observeres i næsten hver eneste dråbe.

Tilstedeværelsen af ​​den faste kerne fremmer også en meget interessant anvendelse af planetlignende nanodråber i katalytiske reaktioner, hvilket fremskynder kemiske reaktioner.

De undersøgte kobber-gallium nanodråber gav lovende resultater i elektrokatalytisk oxidation af ethanol, som kunne anvendes i ethanolbrændselsceller.

Fjernelse af natriumacetat er vigtig forud for denne katalytiske reaktion, hvor saltet let kan renses væk i simple vandbade.

Hvad er det næste?

Den lovende nye teknik åbner op for den potentielle brug af nanodråber med højt overfladeareal i en lang række fremtidige anvendelser, herunder, men ikke begrænset til, elektronik eller katalytiske materialer.

Den fysiske skala af nanodråberne (dvs. nano snarere end mikro) vil også hjælpe grundlæggende undersøgelser af flydende-metal-kemi, herunder at undersøge den præcise karakter af bindingsdannelse inden for flydende metaller, solvatiseringsevner, krystallisationsdynamik og den generelle kolloidkemi, der kan forekomme i forskellige smeltede metalsystemer.

"De planetlignende strukturer er som små miniaturelaboratorier, der giver os mulighed for at studere, hvordan smeltede metaller opfører sig på atomniveau," siger Torben.

Mens undersøgelsen beviste levedygtigheden af ​​den nye teknik ved hjælp af et kobber-gallium-system, forventer forfatterne, at yderligere arbejde bekræfter, at teknikken vil være vellykket ved at bruge andre kombinationer af opløste stoffer og opløsningsmiddellegeringssystemer, begyndende med sølv, zink eller bismuth i flydende gallium , tin eller indium.

"En vigtig fordel ved flydende metalsystemer er evnen til at justere metalblandingen til visse anvendelser, afhængigt af egenskaberne af de indgående metaller," siger Caiden.

"Kobber er for eksempel en fantastisk elektrisk leder. Når vi kombinerer kobber med gallium, sparer vi ikke kun betydelige omkostninger i materialeforbrug, men åbner også vejen for fleksibel elektronik, som det, man måske har set i sci-fi-film. "

Potentielt kan kobber også bruges på grund af dets termiske egenskaber med potentiel anvendelse af kobberbaserede nanodråber i varmeafledningssystemer.

Nanodråbekatalyseapplikationer baseret på kobbers evne til at fremskynde reaktioner er allerede blevet testet i den nye undersøgelse med forbedret areal på det aktive sted ud over materialesyntesebesparelser.

Ser man på et andet metal, har sølv tidligere fundet anvendelser baseret på dets antimikrobielle egenskaber, og når det er kombineret med gallium, kan det skabe et mere biotilgængeligt alternativ.

"Derfor er de potentielle anvendelsesmuligheder for den nye teknologi ekstremt brede. Enhver industri, der har behov for nanomaterialer, kan bruge systemet, med metaller, der kan variere alt efter anvendelse," siger Torben.

Flere oplysninger: Caiden J. Parker et al., Syntese af planetlignende flydende metal nanodråber med lovende egenskaber for katalyse, Avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202304248

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af FLEET