Nieuwe resultaten om de katalytische eigenschappen van bimetaalnanodeeltjes te helpen verfijnen

Nanodeeltjes variëren in grootte van 1 tot 100 nanometer, en vergeleken met gewone deeltjes is het bekend dat ze unieke kenmerken hebben die steeds vaker worden gebruikt voor het diagnosticeren van kanker, het ontwikkelen van kleine elektronische apparaten en zonnebatterijen, maar ook op veel andere gebieden.

In hun nieuwe papier gepubliceerd in Fysiek onderzoek Bhebben onderzoekers van Skoltech onthuld dat de katalytische eigenschappen van bimetaal nanodeeltjes – wanneer een materiaal een chemische reactie versnelt of vertraagt ​​zonder door de reactie te worden verbruikt – verfijnd kunnen worden terwijl de structuur van het nanodeeltje verandert.

Vanaf nu zijn bimetaalkern-schildeeltjes van het grootste belang, waarbij de kern en de schil uit verschillende metalen bestaan. Onderzoekers bestudeerden drie soorten nanodeeltjes: Cu-kern/Au-shell, Au-core/Cu-shell en homogene bimetaal AuCu-legeringsdeeltjes. In tegenstelling tot kern-schildeeltjes is de structuur van gebruikelijke bimetaaldeeltjes niet geordend.

“We hebben waargenomen hoe verschillende kern-schilverhoudingen de elektronische toestanden op het oppervlak kunnen veranderen. Deze veranderingen hebben invloed op het bindingsvermogen tussen een nanodeeltje en een molecuul CO. We concludeerden dat het mogelijk is om de adsorptie-energie te verdubbelen – preciezer gezegd, chemisorptie, wat een chemische binding is tussen atomen, moleculen van gassen en het oppervlak van het kristal of nanodeeltje – in relatie tot een puur metaal door het verfijnen van de kern-schilverhouding in het nanodeeltje”, zegt onderzoekswetenschapper Ilya Chepkasov van het Material Discovery Laboratory, de belangrijkste auteur van het onderzoek.

De studie omvatte verschillende fasen en maakte gebruik van dichtheidsfunctionaaltheorie. In de eerste fase gebruikte het team nanodeeltjes van 2 nanometer om kern-schildeeltjes met verschillende kern-schilverhoudingen te construeren en analyseerde hoe de oppervlaktelading veranderde afhankelijk van de verhouding. Daarna berekenden de onderzoekers de adsorptie van CO- en O-moleculen op het oppervlak van nanodeeltjes en toonden ze aan hoe de adsorptie-eigenschappen van nanodeeltjes kunnen worden veranderd door de oppervlaktelading te variëren die gepaard gaat met het verfijnen van de structuur ervan.

“We hebben fundamentele patronen onthuld die later zullen worden gebruikt om AI-gestuurde modellen te ontwikkelen voor een effectieve voorspelling van de adsorptie- en katalytische eigenschappen van bimetalen nanodeeltjes, terwijl we high-throughput screening uitvoeren op nieuwe materialen met gespecificeerde eigenschappen”, aldus professor Alexander Kvashnin van de Energy Transition. Center, het hoofd van het onderzoek.

De resultaten bewijzen dat het verfijnen van de structuur van nanodeeltjes helpt bij het vinden van de noodzakelijke katalytische eigenschappen van nanodeeltjes, wat zal helpen de katalysator onder controle te houden. De praktische relevantie ligt in het verbeteren van de gaszuivering, bijvoorbeeld voor het reinigen van technische gassen van zeer giftig CO en het veiliger maken ervan.