Team synthetiseert met succes atomair nauwkeurige metalen nanoclusters

Een onderzoeksteam heeft met succes een metalen nanocluster gesynthetiseerd en de kristalstructuur ervan bepaald. Hun onderzoek levert experimenteel bewijs voor het begrijpen en ontwerpen van nanoclusters met specifieke eigenschappen op atomair niveau. Metalen nanoclusters hebben brede toepassingen op biomedisch gebied.

Hun werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Polyoxometalaten.

Wetenschappers hebben belangstelling getoond voor ligand-beschermde atomair nauwkeurige metalen nanoclusters omdat ze duidelijke atomaire structuren en uitzonderlijke fysische en chemische eigenschappen hebben. Deze eigenschappen omvatten attributen zoals luminescentie, chiraliteit, elektrochemie en katalyse.

Vanwege deze eigenschappen zijn metalen nanoclusters veelbelovend als ideale modelkatalysatoren. Met hun ultrakleine formaat vertonen deze nanoclusters een hoge katalytische activiteit en zijn ze selectief in veel katalytische reacties.

Ligand-beschermde metalen nanoclusters zijn ultrakleine organisch-anorganische nanostructuren die een hoge stabiliteit vertonen bij specifieke samenstellingen. Vanwege hun afstembare eigenschappen hebben ze het potentieel voor een verscheidenheid aan op nanotechnologie gebaseerde toepassingen.

Metaalnanoclusters die vergelijkbare structuren delen, maar uit verschillende metalen bestaan, bieden onderzoekers een unieke kans voor diepgaand onderzoek naar de metaalsynergie op atomair niveau. Om het potentieel van deze metalen nanoclusters volledig te benutten in verschillende toepassingen, moeten onderzoekers nanoclusters van legeringen kunnen synthetiseren met vergelijkbare structuren maar verschillende metaalsamenstellingen.

Deze synthese stelt onderzoekers in staat een uitgebreid onderzoek uit te voeren naar de factoren die de eigenschappen van de nanoclusters beïnvloeden. Hoewel onderzoekers aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt bij het bereiden van metalen nanoclusters met vergelijkbare structuren, is de beschikbaarheid van deze nanoclusters beperkt. De synthese van soortgelijke metalen nanoclusters is een essentiële volgende stap voor onderzoekers.

In de loop van de tijd heeft onderzoek naar deze legeringsnanoclusters steeds meer aandacht getrokken onder onderzoekers. Uit eerdere studies hebben onderzoekers een voorlopig inzicht gekregen in de oorsprong van de optische eigenschappen van metalen nanoclusters. Hiermee kunnen ze theoretische richtlijnen krijgen voor het ontwerpen van nanoclusters met hoge kwantumopbrengsten voor fotoluminescentie.

Het onderzoeksteam voerde een onderzoek uit naar de goud-zilver-nanocluster [Au₇Ag₈(SPh)₆ ((p-OMePh)₃P)₈]NEE₃ (Au₇Ag₈). Ze synthetiseerden deze nanocluster, analyseerden de kristalstructuur ervan en onderzochten de optische en elektrokatalytische kooldioxidereductie-eigenschappen.

Het team gebruikte röntgendiffractie met één kristal, elektrospray-ionisatiemassaspectrometrie, röntgenfoto-elektronenspectroscopie en thermogravimetrische analyse om de nanocluster te bestuderen. Hun experimentele resultaten kwamen overeen met hun theoretische berekeningen.

“Ons werk kan helpen bij het verkrijgen van een beter begrip van het effect van metaalsynergie op optische en katalytische eigenschappen op atomair niveau”, zegt Shuxin Wang, hoogleraar aan het College of Materials Science and Engineering aan de Qingdao University of Science and Technology. in China.

Ter vergelijking synthetiseerden ze ook een soortgelijke goudkoper-nanocluster, [Au₁₃Cu₂(TBBT)₆((p-ClPh)₃P)₈]SbF₆ (Au₁₃Cu₂). Ze vergeleken de optische en elektrokatalytische kooldioxidereductie-eigenschappen van de twee metalen nanoclusters. Beide metalen nanoclusters vertonen dezelfde kernstructuur, die fundamenteel identiek is, maar ze verschillen qua metaalsamenstelling.

Toen ze de optische en katalytische eigenschappen van de twee nanoclusters vergeleken, bleek de Au₇Ag₈ had een fotoluminescentie-kwantumopbrengst die aanzienlijk groter was dan de fotoluminescentie-kwantumopbrengst voor de Au₁₃Cu₂.

Ze ontdekten dat zilverdotering, vergeleken met koperdotering, de fotoluminescentie-kwantumopbrengst van de nanocluster effectief met een factor 7 verhoogde. De twee nanoclusters vertoonden ook verschillende katalytische eigenschappen.

Toen ze de elektrokatalytische kooldioxidereductiereactie onderzochten, verkleinde de toevoeging van een kleine hoeveelheid koper, terwijl de katalytische selectiviteit voor de productie van koolmonoxide werd verbeterd, tegelijkertijd het elektrochemisch actieve oppervlak. Op basis van hun structurele analyse schrijft het team de superieure koolmonoxideselectiviteit toe aan de koperdoping in de Au₁₃Cu₂ nanocluster.

In een ideale elektrokatalysator zouden onderzoekers een delicaat evenwicht willen bereiken tussen selectiviteit en behoud van een optimaal elektrochemisch actief oppervlak. Vooruitkijkend werkt het team aan de integratie van meerdere metalen. “We hopen synergetische katalyse te bereiken voor verbeterde selectiviteit en efficiëntie”, aldus Wang.