Amorfisatie verandert nanocatalysatoreigenschappen: onderzoek toont de impact van structurele stoornissen

Een onderzoeksteam bestudeerde hoe Iridium en Palladium nanodeeltjes de eigenschappen van katalysatoren kunnen veranderen met kleine afbraak en overgang naar een amorfe toestand. Het team bestaat uit onderzoekers van Skoltech en Khakassian State University onder leiding van Skoltech Professor Alexander Kvashnin, een arts in de natuurkunde en wiskunde.

De resultaat worden gepubliceerd in de Journal of Catalysis. Ze bieden inzicht in belangrijke katalysatoren voor zuurstof- en waterstofevolutiereacties, evenals zuurstofreductiereacties.

De overgang van microdeeltjes naar nanodeeltjes leidt tot grote veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal. In nanodeeltjes is het aantal atomen op het oppervlak en in het deeltje vrijwel hetzelfde.

Kwantumeffecten, die worden beschreven door de wetten van de kwantumfysica, hebben de grootste invloed op de eigenschappen van deeltjes. Nanodeeltjes worden bijna overal gebruikt – in medicijnafgiftesystemen, LED -schermen, chemische meststoffen, enzovoort.

“Palladium and iridium nanoalloys are important catalysts for many organic reactions. They are also used in the oxidation of carbon monoxide. Understanding what takes place at the atomic level is crucial, as it is difficult to determine the surface composition of these bimetallic nanoparticles in a real experiment, whether they form a shell on their surface, which type of shell is better in terms of energy,” commented Professor Alexander Kvashnin from the Skoltech Energy Transition Center.

De geometrische structuur is essentieel om de katalytische eigenschappen van nanokatalysatoren te begrijpen. In de studie onderzochten de auteurs kern-shell iridium-palladium nanodeeltjes met verschillende chemische ordening: iridium-core, palladium-shell en vice versa, evenals iridium- en palladiumlegeringen.

Het onderzoek onderzocht het effect van de samenstelling, het type structuur (kristallijn of amorf) en lokale atoomomgeving van nanodeeltjes met een diameter van 2 nm op de elektronische eigenschappen en ladingsverdeling.

“Het smeltpunt van nanodeeltjes is aanzienlijk lager dan dat van bulk palladium of iridium. Als de katalytische reactie plaatsvindt bij hoge temperaturen, kunnen de deeltjes smelten – in een amorfe structuur,” voegde Ilya Chepkasov, de onderzoeksauteur en een senior onderzoekswetenschapper in het Skoltech Energy Transition Centre.

“Het grootste deel van het onderzoek richt zich op de eigenschappen van kristalstructuren. Ons idee was om te zien hoe de eigenschappen van de katalysator zouden veranderen als het deeltje in een amorfe toestand zou gaan.”

De auteurs concludeerden dat het type kern-shell nanodeeltjes samen met de dikte van de schaal ten opzichte van de kern de oppervlaktelading drastisch beïnvloedt.

Nanodeeltjes waarbij de Iridium-kern wordt bekleed door een atoomdikke palladiumschelp vertonen een significante overmaat aan elektronen die van de Iridium-kern naar het oppervlak stromen, waardoor er een negatieve lading op wordt gevormd. Tegelijkertijd heeft het type nanodeeltjesstructuur – kristallijn of amorf – vrijwel geen effect op de oppervlaktelading.