Vloeibare metalen nanodruppeltjes gevormd met nieuwe techniek hebben veelbelovende eigenschappen voor katalyse

Vloeibaar metaal, planeetachtige nanodruppels zijn met succes gevormd met een nieuwe techniek die is ontwikkeld aan de RMIT University, Australië. Net als onze eigen planeet Aarde hebben de nanodruppeltjes een buitenste “korst”, een vloeibaar metalen “mantel” en een vaste “kern”.

De solide intermetallische kern is de sleutel tot het bereiken van een meer homogene mix, waarbij dezelfde hoeveelheid opgeloste stof (dwz de “doel”-metalen) in elke gelegeerde druppel wordt “opgesloten”.

Het onderzoeksteam bereikte homogeniteit door volledige oplossing in de vloeibaar-metaalmedia, mogelijk gemaakt door gesmolten zout op hoge temperatuur. Hun artikel, “Synthese van planeetachtige nanodruppels van vloeibaar metaal met veelbelovende eigenschappen voor katalyse”, werd gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen in juli 2023.

De ontdekking creëert nieuwe onderzoeksmogelijkheden in de fundamentele chemie van vloeibare metalen, evenals uiteenlopende toepassingen, zoals flexibele elektronica, faseveranderende materialen, katalysatoren en brandstofcellen, en op zilver gebaseerde antimicrobiële stoffen.

Vloeibare metalen nanodruppels schudden uit elkaar

Vloeibare metalen zijn de afgelopen jaren naar voren gekomen als een veelbelovende nieuwe grens van chemisch onderzoek en fungeren als een nieuwe reactie-interface voor oplosmiddelen en katalysatoren.

Ze kunnen ook fungeren als een functioneel materiaal met een hoge geleidbaarheid dankzij gedelokaliseerde metaalverbindingen en een zachte, vloeiende binnenkant.

Met opkomende katalyse-, detectie- en nano-elektronische toepassingen die afhankelijk zijn van het bereiken van grote oppervlakken, is de synthese van nanodruppels van vloeibaar metaal een belangrijk aandachtspunt geworden.

Er zijn veel combinaties mogelijk bij het legeren voor specifieke toepassingen, bijvoorbeeld het oplossen van koper (de opgeloste stof) in vloeibaar gallium (het metallische oplosmiddel).

De nanodruppels van vloeibaar metaal worden gemaakt door mechanische agitatie met behulp van geluidsgolven in een oplosmiddel zoals ethanol of water.

Tijdens dit “sonicatie”-proces hebben legeringen van vloeibaar metaal echter de neiging om te “ontlegeringen”, dwz uiteen te vallen in hun samenstellende metalen.

Dit is het resultaat van eerdere methoden die probeerden de metalen op te lossen bij relatief lage temperaturen, in de buurt van kamertemperatuur. “Net zoals het mogelijk is om meer suiker op te lossen in warm water dan in koud water, kan er meer koper worden opgelost in warmer gallium”, zegt hoofdauteur Caiden Parker, een Ph.D. kandidaat bij RMIT.

Bij lage temperaturen vormt een deel van het opgeloste metaal zich opnieuw tot grotere, vaste deeltjes voordat het volledig oplost.

De resulterende samenstelling heeft inconsistente, inhomogene eigenschappen, waarbij de samenstelling van individuele nanodruppeltjes aanzienlijk varieert. “In extreme gevallen kunnen veel of zelfs de meeste nanodruppeltjes in wezen verstoken zijn van het opgeloste metaal, dat uiteindelijk in slechts enkele deeltjes wordt geconcentreerd”, zegt de overeenkomstige auteur Dr. Torben Daeneke, ook bij RMIT.

Deze inhomogeniteit en de aanwezigheid van intermetallische verbindingen vormen aanzienlijke moeilijkheden voor onderzoekers die de fundamentele mechanismen die aan het werk zijn in de chemie van vloeibare metalen willen begrijpen.

Hoge temperaturen en zouten vormen homogene, planeetachtige nanodruppels

In de nieuwe studie losten RMIT-onderzoekers het probleem van dealloying op door het syntheseproces aanzienlijk te verwarmen (tot wel 400°C) om ervoor te zorgen dat het opgeloste metaal volledig is opgelost en door een zorgvuldig geselecteerde gesmolten-zoutsuspensievloeistof te introduceren.

Er is gekozen voor natriumacetaat omdat het bij hoge temperatuur stabiel blijft en daarna gemakkelijk kan worden verwijderd.

De resulterende nanodruppeltjes hebben een interessante planeetachtige structuur die bestaat uit een buitenste (oxide) omhulsel, een vloeibare (metalen) mantel en een zwevende, vaste centrale kern (intermetallisch).

“We werden meteen getroffen door de gelijkenis van de nanodruppeltjes met een aardachtige planeet, met een stevige buitenste schil, een vloeibare metalen mantel en een solide metalen kern”, zegt Caiden.

Die vaste kern is de sleutel tot het succes van de nieuwe techniek, waarbij dezelfde hoeveelheid opgeloste stof in elke gelegeerde druppel wordt “opgesloten”.

“We waren ook verheugd om te zien dat onze nieuwe metalen planeetachtige nanodruppels overal waren”, vervolgt Caiden.

Het systeem was homogeen verspreid, met een aanzienlijk verbeterde opbrengst. Transmissie-elektronenmicroscoopanalyse (TEM) bevestigde dat de kernstructuur in bijna elke druppel wordt waargenomen.

De aanwezigheid van de vaste kern bevordert ook een zeer interessant gebruik van de planeetachtige nanodruppels in katalytische reacties, waardoor chemische reacties worden versneld.

De bestudeerde koper-gallium-nanodruppeltjes leverden veelbelovende resultaten op bij de elektrokatalytische oxidatie van ethanol, die zouden kunnen worden toegepast in ethanol-brandstofcellen.

Verwijdering van het natriumacetaat is belangrijk voorafgaand aan deze katalytische reactie, waarbij het zout gemakkelijk kan worden verwijderd in eenvoudige waterbaden.

Wat is het volgende?

De veelbelovende nieuwe techniek opent het potentiële gebruik van nanodruppeltjes met een groot oppervlak in een breed scala van toekomstige toepassingen, waaronder, maar niet beperkt tot, elektronica of katalytische materialen.

De fysieke schaal van de nanodruppeltjes (d.w.z. nano in plaats van micro) zal ook helpen bij fundamentele studies van de chemie van vloeibaar metaal, inclusief onderzoek naar de precieze aard van bindingsvorming binnen vloeibare metalen, solvatatiemogelijkheden, kristallisatiedynamiek en de algemene colloïdale chemie die kan optreden. komen voor in verschillende gesmolten metaalsystemen.

“De planeetachtige structuren zijn net kleine miniatuurlaboratoria, waardoor we kunnen bestuderen hoe gesmolten metalen zich gedragen op atomair niveau”, zegt Torben.

Hoewel de studie de levensvatbaarheid van de nieuwe techniek met behulp van een koper-galliumsysteem aantoonde, verwachten de auteurs dat verder werk zal bevestigen dat de techniek succesvol zal zijn met andere combinaties van opgeloste stoffen en oplosmiddellegeringen, te beginnen met zilver, zink of bismut in vloeibaar gallium. , tin of indium.

“Een belangrijk voordeel van vloeibaar-metaalsystemen is de mogelijkheid om de metaalmix voor bepaalde toepassingen aan te passen, afhankelijk van de eigenschappen van de samenstellende metalen”, zegt Caiden.

“Koper is bijvoorbeeld een geweldige elektrische geleider. Wanneer we koper combineren met gallium, besparen we niet alleen aanzienlijke kosten in materiaalverbruik, maar maken we ook de weg vrij voor flexibele elektronica, zoals je misschien in sciencefictionfilms hebt gezien. ”

Potentieel kan koper ook worden gebruikt vanwege zijn thermische eigenschappen, met mogelijke toepassing van op koper gebaseerde nanodruppels in warmteafvoersystemen.

Nanodroplet-katalysetoepassingen op basis van het vermogen van koper om reacties te versnellen, zijn al getest in de nieuwe studie, met een verbeterd actieve site-gebied naast besparingen op materiaalsynthese.

Kijkend naar een ander metaal, heeft zilver eerder toepassingen gevonden op basis van zijn antimicrobiële eigenschappen, en eenmaal gecombineerd met gallium zou het een meer biologisch beschikbaar alternatief kunnen creëren.

“De potentiële toepassingen van de nieuwe technologie zijn dus extreem breed. Elke industrie die nanomaterialen nodig heeft, kan het systeem gebruiken, waarbij de samenstellende metalen variëren afhankelijk van de toepassing”, zegt Torben.