Gouden nanoclusters onthullen de potentiële rol van Magnetic Spin in katalytische efficiëntie

Onlangs verwijderde een team van onderzoekers van de Hefei Institutes of Physical Science of the Chinese Academy of Sciences (CAS) opeenvolgend het binnenste atoom en het buitenste elektron van een gouden nanodeeltje – zonder de algehele structuur te verstoren. Door deze precieze manipulatie kon ze onderzoeken hoe de magnetische spin van het materiaal zijn katalytische activiteit beïnvloedt.

Het werk, geleid door Prof. Wu Zhikun in samenwerking met Prof. Yang van het Institute of Process Engineering, CAS en Prof. Tang van Chongqing University, was gepubliceerd in De wetenschap vordert.

Gouden nanoclusters – kleine deeltjes bestaande uit enkele tot honderden gouden atomen – zijn ideale modellen om te bestuderen hoe atomaire structuur de materiaaleigenschappen beïnvloedt. Maar het afstemmen van de structuur van dergelijke clustersatoom door atoom, vooral als ze relatief groot en complex zijn, is al lang een grote uitdaging.

Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde het team een ​​nieuwe synthesemethode met behulp van een mengsel van thiol- en jodiumliganden om een ​​gold cluster met meerdere schaal te stabiliseren: [Au₁₂₇I₄(TBBT)₄₈]waar TBBT een omvangrijk zwavelbevattend molecuul is. Toen, door extra thiols te introduceren, konden ze het enkele gouden atoom in het midden van de structuur zachtjes “eruit plukken” – zoals het verwijderen van een erwt uit het midden van een nestelende pop – zonder de omliggende schelpen in te storten. Dit creëerde een nieuw, stabiel cluster: AU1₂₆I₄(TBBT)₄₈die diamagnetisch is.

Bovendien creëerden de onderzoekers door deze structuur zorgvuldig te oxideren een derde versie: [Au1₂₆I₄(TBBT)₄₈]⁺die paramagnetisme herwonnen. In feite demonstreerde het team de mogelijkheid om de magnetische toestand van het materiaal nauwkeurig te veranderen door achtereenvolgens één atoom en één elektron te verwijderen – een niveau van controle die zelden wordt bereikt in nanomaterialen.

Met behulp van deze reeks clusters konden de onderzoekers bestuderen hoe de verdeling van magnetische spin over de structuur veranderde. Ze ontdekten dat spindichtheid naar buiten verschoof naarmate het centrale atoom werd verwijderd en het deeltje werd geoxideerd. Nog interessanter is dat de spins de neiging hadden zich meer te concentreren op de jodiumatomen dan op de zwavelatomen, wat aangeeft dat de spin een belangrijke rol zou kunnen spelen bij het afstemmen van de katalytische eigenschappen.

Om dit idee te testen, evalueerde het team hoe goed elke versie van de gouden nanocluster de vermindering van koolstofdioxide tot koolmonoxide zou kunnen katalyseren – een reactie van de groeiende interesse in onderzoek naar schone energie. De diamagnetische versie (au₁₂₆I₄) bereikte bijna 100% faradade -efficiëntie bij een relatief lage spanning, beter dan de paramagnetische tegenhangers. Dit resultaat ondersteunt sterk het idee dat magnetische spin een belangrijke rol speelt bij de katalyse.

“Onze bevindingen bieden belangrijke inzichten in hoe spin katalytisch gedrag beïnvloedt,” zei prof. Wu. “Dit zou nieuwe strategieën kunnen openen voor het ontwerpen van multifunctionele materialen op atomair niveau.”