Beeldvormingsmethode op nanoschaal biedt inzicht in de synthese van gelegeerde nanodeeltjes

Katalysatoren, vaak metalen nanodeeltjes, zijn betrokken bij de productie van meer dan 80% van commerciële producten zoals kunststoffen, brandstoffen en farmaceutische producten. Computationele methoden helpen bij het ontwerpen van nanodeeltjeskatalysatoren die bestaan ​​uit mengsels van metalen, gelegeerde nanodeeltjes genaamd, met een hoge reactieactiviteit en selectiviteit. Het produceren van gelegeerde nanodeeltjes met willekeurige samenstelling in het laboratorium bestaat echter nog niet. De fundamentele chemie van de synthese van gelegeerde nanodeeltjes blijft inderdaad een raadsel.

Daartoe paste een onderzoeksteam aan de Universiteit van Maryland (UMD) onder leiding van Taylor Woehl, een assistent-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering (ChBE), een nieuwe methode toe: in situ vloeistoffase-transmissie-elektronenmicroscopie (LP- TEM) -synthese – waardoor we de moleculaire en nanoschaalprocessen die bepalen hoe metalen zich mengen tot gelegeerde nanodeeltjes tijdens natchemische synthese nader kunnen bekijken. Mei Wang, een ChBE Ph.D. Student, diende als eerste auteur van de studie, gepubliceerd in ACS Nano.

“We observeerden de vorming van nanodeeltjes gemaakt van goud en koper – veelbelovende katalysatoren voor het omzetten van CO₂ in waardevolle organische moleculen – in realtime op nanometer-lengteschaal “, zei Wang.” Met deze methode wordt de synthese van nanodeeltjes bereikt door een vloeibare precursor te bestralen met hoogenergetische elektronen om de omstandigheden van natte chemie te simuleren. We vonden elektronensynthese-omstandigheden die de natte chemische synthese sterk nabootsten, wat verrassend was gezien het feit dat de stralingsdosis die het monster ontvangt vele malen groter is dan in een commerciële kernreactor. “

Door deze omstandigheden te ontdekken, zorgden de auteurs ervoor dat wat ze zagen met LP-TEM representatief was voor wat er gebeurt tijdens natchemische synthese op de tafel. Reactiesimulaties toonden aan dat organische liganden in de oplossing, die normaal worden gebruikt om de grootte en stabiliteit van de nanodeeltjes te regelen, de reactieoplossing beschermen tegen beschadiging door de hoogenergetische elektronen.

Een belangrijke observatie in de studie was dat de aanwezigheid van een organische ligand cruciaal was voor het combineren van goud en koper tot goed gemengde gelegeerde nanodeeltjes.

“We ontdekten dat de ligand de vorming van legeringen mogelijk maakte door covalent te binden aan goud en koper om complexe ionen te vormen,” zei Woehl. Atomaire resolutie beeldvorming en massaspectrometrie toonden aan dat de complexe ionen werden omgezet in intermediaire soorten in de synthesereactie, prenucleatieclusters genaamd. We ontdekten dat deze clusters, elk bestaande uit een paar goud- en koperatomen, cruciaal waren voor het vormen van een legering. “

De tussenliggende soorten werden vervolgens samengevoegd tot nanokristallen met een vergelijkbare samenstelling. Deze route voor de vorming van nanokristallen verschilt van het klassieke beeld van afzonderlijke atomen die samenkomen in een nanodeeltje.

De auteurs ontdekten dat de organische liganden een belangrijke secundaire rol spelen bij het stimuleren van de vorming van prenucleatieclusters die zowel goud- als koperatomen bevatten. Deze bevindingen suggereren dat controle over tussenproducten van metaalclusters de sleutel is tot de synthese van gelegeerde nanodeeltjeskatalysatoren.