Ett schematiskt diagram visar en guld nanopartikel stabiliserad med polyvinylalkohol (PVA) ligander.
Guld nanopartiklar, säger Chris Kiely, håller snabbt på att bli några av de mest effektiva diplomaterna i nanovärlden.
De underlättar ett brett spektrum av kemiska reaktioner mellan molekyler som normalt inte skulle interagera eller bara skulle göra det vid mycket högre temperaturer.
Och i de flesta fall, de ger ett enda gynnsamt resultat med få, om någon, oönskade bireaktioner.
Kortfattat, säger Kiely, professor i materialvetenskap och teknik, nanopartiklarna är extremt bra katalysatorer.
Konventionella metoder för att framställa guldnanopartiklar, dock, förändra partiklarnas morfologi och katalytiska aktivitet.
Nu, ett internationellt team av forskare har utvecklat en procedur som förbättrar ytexponeringen av guldnanopartiklar och deras katalytiska aktivitet över en rad reaktioner.
En ny procedur förbättrar konventionen
Teamet rapporterade sina resultat i juli i Naturkemi i en artikel med titeln "Enkelt avlägsnande av stabilisator-ligander från understödda guldnanopartiklar."
Dess medlemmar inkluderar Kiely och Graham Hutchings, en kemist vid Cardiff University i Wales i Storbritannien, som har studerat nanogold tillsammans i mer än ett decennium.
"Inom industrin, säger Kiely, "Det vanligaste sättet att förbereda guldnanokatalysatorer är att först impregnera ett nanokristallint oxidstöd, såsom titanoxid (TiO2) med klorourinsyra. En reduktionsreaktion omvandlar sedan syran till metallnanopartiklar.
"Tyvärr, detta leder till att en mängd olika guldarter sprids på stödet, såsom isolerade guldatomer, mono- och tvåskiktskluster, förutom nanopartiklar av olika storlekar.”
En alternativ teknik som tillåter mer exakt kontroll över partikelstorlek och struktur, är att förforma guldnanopartiklarna i en kolloidal lösning innan de deponeras på underlaget.
Nackdelen med denna metod är att under tillverkningen beläggs nanopartiklarna med organiska molekyler – ligander – som hindrar dem från att klumpa ihop sig. När de väl har placerats på ett stöd, dessa ligander tenderar att försämra nanopartikelns katalytiska prestanda genom att blockera molekylernas närmande till aktiva platser på metallytan.
En mildare form av ligandborttagning
Tidigare metoder för att avlägsna dessa ligander har involverat värmebehandlingar på upp till 400 grader C.
"Vid dessa temperaturer förändras nanopartiklarnas morfologi och de börjar smälta samman, säger Kiely. "Det finns också en betydande minskning av deras katalytiska aktivitet."
Kiely-Hutchings-teamet utvecklade ett mildare alternativ för att ta bort liganderna från polyvinylalkoholstabiliserade guldnanopartiklar avsatta på ett titanoxidstöd – en enkel hetvattentvätt.
Doktorand Ramchandra Tiruvalam använde Lehighs aberrationskorrigerade JEOL 2200 FS transmissionselektronmikroskop för att undersöka katalysatorerna före och efter tvättning och för att jämföra dem med de som hade genomgått värmebehandling för att avlägsna liganderna.
"Varmvattentvätt hade mycket liten effekt på partikelstorleken, säger Kiely, som leder Lehigh's Nanocharacterization Laboratory, "och medan partiklarna behåller sin oktaedriska morfologi, deras ytor verkar bli mer distinkt facetterade. Detta beror förmodligen på att viss ytrekonstruktion inträffar efter att en betydande del av de skyddande PVA-liganderna förlorats."
"Att värma proverna till 400 grader C var också effektivt för att ta bort liganderna men den genomsnittliga partikelstorleken ökade från 3,7 till 10,4 nm, säger Kiely. "Det fanns också en tendens för partiklarna att omstrukturera och utvecklas plattare, mer utökade gränssnitt med det underliggande TiO2-stödet."
Ett mikrofotografi taget av Lehighs högvinklade ringformiga mörka fält (HAADF) skanningstransmissionselektronmikroskop (STEM) visar en guldnanopartikel på ett TiO2-stöd efter en varmvattentvätt.
För oxidation av kolmonoxid till koldioxid, katalysatorer framställda genom denna kolloidala/hetvattentvätt uppvisade mer än dubbelt så stor aktivitet som konventionella guld/TiO2-katalysatorer. Denna speciella reaktion är avgörande för att avlägsna kolmonoxid från slutna utrymmen som ubåtar och rymdfarkoster, förlänger livslängden på bränsleceller, och förlänger den användbara livslängden för en brandmansmask.
Detta arbete finansierades delvis av National Science Foundation. Tiruvalam är nu forskare med Haldor Topsoe, ett katalysatorföretag i Köpenhamn, Danmark.
