Chemische oscillaties in palladium nanodeeltjes kunnen de weg vrijmaken voor het recyclen van edelmetaalkatalysatoren

Onderzoekers van de University of Nottingham’s School of Chemistry gebruikten transmissie -elektronenmicroscopie (TEM) om de volledige levenscyclus van palladium nanodeeltjes in een vloeibare omgeving te observeren, van nucleatie door groei tot oplossing, waarbij de hele cyclus meerdere keren herhaalt. Deze studie is gepubliceerd in Nanoschaal.

Een van de belangrijkste toepassingen van metaalnanodeeltjes is in de katalyse, die een ruggengraat van chemische industrieën vormt.

Dr. Jesum Alves Fernandes, een expert in het veld, zei: “De mechanismen van katalyse waarbij Palladium betrokken is, zijn al vele jaren fel besproken, vooral als het onderscheid tussen homogene (in oplossing) en heterogene (op het oppervlak van nanodeeltjes) katalysatoren op de nanoschaal worden vervaagd.

“De ontdekking dat palladium-nanodeeltjes kunnen schakelen tussen deze twee modi kan ons helpen nieuwe efficiënte katalysatoren te ontwikkelen voor netto-nulreacties, zoals koolstofdioxidevermindering en ammoniaksynthese. Bovendien kan deze kennis helpen bij het recyclen en hergebruik van kritische metalen zoals palladium, wiens globale leveringen snel afnemen.”

De wetten van de thermodynamica zorgen ervoor dat chemische reacties, inclusief die met nanodeeltjes, in één richting doorgaan. Hoewel oscillerende chemische reacties ongewoon zijn in door de mens veroorzaakte processen, komen ze vaak voor in levende organismen die weg zijn van het thermodynamisch evenwicht.

Inzicht in deze chemische oscillaties kan ons helpen enkele van de mysteries van de natuur te ontrafelen, waaronder overgangen van chaos naar orde, opkomend gedrag, patronen in dierenjassen en zelfs de oorsprong van het leven op aarde.

Professor Andrei Khlobystov leidt de onderzoeksgroep aan de Universiteit van Nottingham die zich richt op beeldvormende chemische reacties van individuele moleculen en atomen, in realtime, en directe ruimte.

Hij zegt: “We wilden de vorming van palladium -nanodeeltjes in een vloeistof bestuderen en waren blij om de nanodeeltjes te observeren die zich rechtstreeks tijdens TEM -observatie vormden. Deze nanodeeltjes kwamen uit de palladiumzoutoplossing, groter en meer gestructureerd in de loop van de tijd.

“Tot onze verbazing, zodra de nanodeeltjes een grootte van ongeveer 5 nanometer bereikten, begonnen ze terug te oplossen in de oplossing, volledig verdwenen, alleen om opnieuw te groeien.”

De nanodeeltjes creëren een complex vertakkingspatroon in een vloeibaar pool, cyclisch pulserend naarmate ze groeien en oplossen. Wanneer de reactie echter wordt uitgevoerd in een druppeloplossing in een koolstofnanobuis – die als een miniatuurtestbuis is gediend – kan de levenscyclus van de nanodeeltjes worden waargenomen bij atomaire resolutie.

De koolstofnanobuis vertraagt ​​het proces, waardoor de vroege stadia van nucleatie, groei en oplossing mogelijk zijn. Dit onthult een schijfachtige vorm met kristalfacetten, wat suggereert dat interacties van de nanodeeltjes met de oplosmiddelmoleculen.

Dr. Will Cull, een onderzoeker aan de School of Chemistry, Universiteit van Nottingham, zei: “De sleutel tot het begrijpen van dit onverwachte fenomeen ligt in het erkennen dat elektronenmicroscopie een krachtige beeldvormingstechniek is die ook het waargenomen materiaal kan veranderen.

“Deze benadering wordt vaak gebruikt om structuren te snijden met de elektronenstraal, maar in dit geval wordt de energie van de elektronenstraal benut om koolstof-hydrogene bindingen te verbreken en valentie-elektronen te verplaatsen van de bromide-anionen in het oplosmiddel. Dientengevolge worden chemische reacties geactiveerd terwijl we ons monster beelden.”

Dr. Rhys Lodge, die de metingen heeft uitgevoerd, legt uit: “Wij zijn van mening dat de chemische reacties waarbij het oplosmiddel betrokken is, geactiveerd door de elektronenstraal, de reductie van palladiumionen tot palladiummetaal aan palladiummetaal, evenals de oxidatie van palladiummetaal terug tot palladium -ionen, stimuleren door de concurrentie tussen deze twee processen, de nanodeeltjes, oscillerend chemisch tussen deze twee staten.”