Tweedimensionale nanodeeltjes met een groot katalytisch potentieel

Waterstof wordt beschouwd als een milieuvriendelijk alternatief voor conventionele fossiele brandstoffen. Tot nu toe waren dure en zeldzame stoffen zoals platina nodig voor de katalytische productie ervan, bijvoorbeeld via elektrolytische watersplitsing. Met beter beschikbare katalysatoren zouden in de toekomst de productie van grote hoeveelheden mogelijk kunnen worden.

De onderzoeksteams van Helmut Cölfen (fysische chemie) en Peter Nielaba (statistische en computationele fysica) aan de Universiteit van Konstanz hebben samen met onderzoekers van de Ocean University of China een algemene methode ontwikkeld om tweedimensionale nanodeeltjes te produceren uit gemakkelijk toegankelijke materialen. Qingdao (China) en het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society, Berlijn (Duitsland).

Tweedimensionale nanodeeltjes hebben een hoog katalytisch potentieel, daarom is deze synthetische route geschikt om bijzonder actieve katalysatoren te produceren.

Het overeenkomstige syntheseproces wordt uitgevoerd in een eenvoudige waterige oplossing. Er zijn geen giftige toevoegingen of bijzonder hoge temperaturen nodig, die energetisch ongunstig zijn. Het proces wordt gecontroleerd door simpelweg de concentratie van de componenten te variëren en door temperatuurregeling. Het onderzoeksteam slaagde erin meer dan 30 verschillende verbindingen in tweedimensionale vormen te vormen met behulp van deze methode, die nu voor het eerst in het tijdschrift is beschreven Natuur Synthese.

Het voordeel van tweedimensionale nanodeeltjes

Tweedimensionale (2D) nanodeeltjes hebben een bijzonder groot aantal oppervlakte-atomen, die andere eigenschappen hebben dan atomen in een deeltje. De bindingen van de atomen aan het oppervlak zijn niet verzadigd omdat het oppervlak de onmiddellijk naburige atomen mist waarmee bindingen in het deeltje worden gevormd. Dit leidt tot oppervlakte- of grensvlakspanning. Omdat deze niet-verzadigde toestand behoorlijk veel energie verbruikt voor het totale systeem, proberen nanodeeltjes samen te clusteren om de bindingen te verzadigen en het oppervlak te minimaliseren.

Als de oppervlaktebindingen echter onverzadigd blijven, resulteert dit in een verhoogde chemische reactiviteit. Het aantal onverzadigde bindingen is bijzonder hoog in tweedimensionale nanodeeltjes omdat ze niet alleen aan de boven- en onderkant onverzadigde bindingen hebben, maar ook aan de zijkanten en randen. Dit maakt ze bijzonder interessant voor katalyse, die een grote rol speelt in de chemie. De benodigde nanokristallen zijn echter moeilijk te fabriceren vanwege de ongunstige energietoestand aan het oppervlak.

Tweedimensionale nanodeeltjes zijn anisotroop en hun eigenschappen zijn afhankelijk van de oriëntatie van hun bouwstenen. Het kristalrooster van de deeltjes is bepalend voor hun groeirichting. Als de nanodeeltjes een gelaagd kristalrooster hebben zoals in klei, groeien de deeltjes tweedimensionaal. Materialen die gunstig zijn voor katalyse nemen echter zelden zelf de tweedimensionale vorm aan.

Als het kristalrooster dicteert dat het kristal snel langs twee kristalassen groeit, kunnen tweedimensionale nanodeeltjes gemakkelijk worden gesynthetiseerd. Dan zijn er nog maar een paar moleculaire bouwstenen in de oplossing nodig om de nanodeeltjes tweedimensionaal te laten groeien. Als de kristallen in andere richtingen net zo snel of net iets langzamer groeien, krijgen de kristallen een driedimensionale vorm.

Hoe nanodeeltjes tweedimensionaal groeien

Het onderzoeksteam heeft ontdekt hoe de concentratie van moleculaire bouwstenen in de oplossing kan worden gebruikt om dit proces te manipuleren: als de concentratie van bouwstenen wordt verhoogd, komt het principe van “wat snel groeit ook meer materiaal verbruiken” om de hoek kijken: de afstand tussen de snelgroeiende en de langzamer groeiende kristalassen neemt toe, resulterend in tweedimensionale deeltjes.

De methode om de bouwsteenconcentratie te verhogen werkt niet als de groeisnelheid langs verschillende relevante kristalassen ongeveer gelijk is. In dit geval gebruiken de onderzoekers een andere parameter. De groeisnelheid van kristaloppervlakken hangt exponentieel af van de temperatuur. Als de temperatuur van de oplossing zelfs maar een paar graden verandert, zal het verschil in groeisnelheid tussen de langzaam en snelgroeiende kristalvlakken toenemen. Hierdoor groeien de nanodeeltjes in twee dimensies.

Methode werkt voor meer dan 30 elementen van het periodiek systeem

Deze algemene procedure werkt voor veel materialen. In het periodiek systeem kon het Duits-Chinese onderzoeksteam metalen in vele groepen identificeren, meer dan 30 in totaal, die de tweedimensionale vorm aannemen als oxiden of hydroxiden, maar ook zuren, sulfiden, oxychloriden en fosfaten. Het voordeel van deze algemene benadering, die voor het eerst is beschreven: in de meeste gevallen worden de materialen geproduceerd bij kamertemperatuur in water – zonder giftige oplosmiddelen of hoge temperaturen.

Bovendien is de opbrengst van katalytische materialen zeer schaalbaar. In het lab werken de onderzoekers op een multigramschaal. Om katalysatoren in grote hoeveelheden te produceren met behulp van gemakkelijk toegankelijke stoffen, is alles wat nodig is een afgesloten vat – in plaats van speciale apparaten zoals drukvaten.

Experimenten bevestigen de theorie

Het experimentele onderzoek laat ook zien hoe theoretische kennis in de praktijk kan worden gebracht. De experimenten bevestigen theoretische simulaties uitgevoerd door het team van Peter Nielaba in een gezamenlijk project met het Cölfen-team in het Collaborative Research Center 1214 “Anisotropic Particles as Building Blocks: Tailoring Shape, Interactions and Structures” aan de Universiteit van Konstanz.

De natuurkundige had al rekening gehouden met variaties in de concentratie van de componenten en de temperatuur. “De berekeningen en wat we experimenteel hebben gevonden, vallen volledig samen”, concludeert Helmut Cölfen.

Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Synthese.