Chemici tonen aan dat de gefaseerde afgifte van ionen uit goud-zilver nanodeeltjes een nuttige eigenschap zou kunnen zijn

Er zit goud in dan nanodeeltjes, en vroeger zat er ook veel zilver. Maar veel van het zilver is weggeloogd en onderzoekers willen weten hoe.

Goud-zilverlegeringen zijn nuttige katalysatoren die onder meer milieuverontreinigende stoffen afbreken, de productie van kunststoffen en chemicaliën vergemakkelijken en bacteriën op oppervlakken doden. In de vorm van nanodeeltjes kunnen deze legeringen nuttig zijn als optische sensoren of om waterstofevolutiereacties te katalyseren.

Maar er is een probleem: zilver blijft niet altijd zitten.

Een nieuwe studie door wetenschappers van de Rice University en de Universiteit van Duisburg-Essen, Duitsland, onthult een tweestapsmechanisme achter de dissipatie van zilver, een ontdekking die de industrie zou kunnen helpen bij het verfijnen van nanodeeltjeslegeringen voor specifieke toepassingen.

Het team onder leiding van Rice-chemici Christy Landes en Stephan Link en afgestudeerde student Alexander Al-Zubeidi en Duisburg-Essen-chemicus Stephan Barcikowski gebruikte geavanceerde microscopie om te laten zien hoe goud genoeg zilver kan vasthouden om het nanodeeltje te stabiliseren.

Hun studie verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano.

De onderzoekers gebruikten een hyperspectrale donkerveld-beeldmicroscoop om nanodeeltjes van goud-zilverlegeringen te bestuderen die een teveel aan zilver bevatten in een zure oplossing. De techniek stelde ze in staat plasmonen te activeren, rimpelingen van energie die over het oppervlak van deeltjes stromen als ze worden aangestoken. Deze plasmonen verstrooien licht dat verandert met de samenstelling van de legering.

“Doordat het plasmon afhankelijk is van de samenstelling van de legering, konden we de uitloogkinetiek van zilverionen in realtime registreren”, zegt Al-Zubeidi, hoofdauteur van het onderzoek.

Al-Zubeidi merkte op dat films van goud en zilverlegeringen al tientallen jaren in gebruik zijn, vaak als antibacteriële coatings, omdat zilverionen giftig zijn voor bacteriën. “Ik denk dat het mechanisme voor het vrijgeven van zilver is geïmpliceerd door studies van legeringsfilms, maar het is nooit kwantitatief bewezen”, zei hij.

Zilverionen lekken aanvankelijk snel uit nanodeeltjes, die daardoor letterlijk krimpen. Naarmate het proces vordert, laat het goudrooster in de meeste gevallen al het zilver na verloop van tijd vrij, maar ongeveer 25% van de deeltjes gedraagt ​​zich anders en de uitloging van zilver is onvolledig.

Al-Zubeidi zei dat wat ze waarnamen suggereert dat goud kan worden gemanipuleerd om de nanodeeltjes van de legering te stabiliseren.

“Normaal gesproken zou het uitlogen van zilver onder onze omstandigheden ongeveer twee uur duren”, zei hij. “In de tweede fase vindt de reactie dan niet meer aan het oppervlak plaats. In plaats daarvan, terwijl het goudrooster zich opnieuw rangschikt, moeten de zilverionen door dit goudrijke rooster diffunderen om het oppervlak te bereiken, waar ze kunnen worden geoxideerd. reactiesnelheid veel.

“Op een gegeven moment passiveren de deeltjes en kan er geen uitloging meer plaatsvinden”, zei Al-Zubeidi. “De deeltjes worden stabiel. Tot nu toe hebben we alleen gekeken naar deeltjes met een zilvergehalte van 80% -90%, en we ontdekten dat veel van de deeltjes stoppen met uitlogen van zilver wanneer ze een zilvergehalte van ongeveer 50% bereiken.

“Dat zou een interessante compositie kunnen zijn voor toepassingen als katalyse en elektrokatalyse”, zei hij. “We zouden graag een sweet spot rond de 50% willen vinden, waar de deeltjes stabiel zijn maar nog steeds veel van hun zilverachtige eigenschappen hebben.”

Het begrijpen van dergelijke reacties zou onderzoekers kunnen helpen een bibliotheek van goud-zilverkatalysatoren en elektrokatalysatoren op te bouwen voor verschillende toepassingen.

Link zei dat het Rice-team verheugd was over de mogelijkheid om samen te werken met Barcikowski, een leider op het gebied van nanodeeltjessynthese via laserablatie. “Dit maakt het mogelijk om gelegeerde nanodeeltjes te maken met verschillende samenstellingen en vrij van stabiliserende liganden”, zei hij.

“Van onze kant hadden we de perfecte techniek om het proces van het uitlogen van zilverionen uit vele nanodeeltjes met een enkele legering parallel via hyperspectrale beeldvorming te bestuderen”, voegt Landes toe. “Alleen een enkeldeeltjesbenadering was in staat om de intra- en interpartikelgeometrie op te lossen.”

“Deze inspanning zal een nieuwe benadering mogelijk maken om nanogestructureerde katalysatoren en nieuwe materialen te genereren met unieke elektrochemische, optische en elektronische eigenschappen”, zegt Robert Mantz, programmamanager elektrochemie bij het Army Research Office, een onderdeel van het Army Research van het US Army Combat Capabilities Command. Laboratorium. “Het vermogen om katalysatoren op maat te maken is belangrijk om het doel te bereiken van het verminderen van het door soldaten gedragen gewicht in verband met energieopslag en opwekking en om nieuwe materiaalsynthese mogelijk te maken.”