(Phys.org) – Att producera hållbar energi kräver material med specifika fysikaliska och kemiska egenskaper som styrs av storleken och den elektriska laddningen hos små metallpartiklar, och forskare vid Pacific Northwest National Laboratory har upptäckt hur man exakt kontrollerar båda egenskaperna. Fasta katalysatorer är vanligtvis gjorda av små metallkluster dispergerade på ett bärande material. För att mer effektivt distribuera klustren på stödet, ett lager av "trådiga" molekyler kan användas för att binda klustren till ytan. PNNL-teamet fann att egenskaperna hos dessa strängar styr antalet laddningar som bärs av de katalytiska klustren spridda på toppen av lagret.
"När du utvecklar katalysatorer, avgiftsfrågor, " sa Dr Julia Laskin, en fysikalisk kemist vid PNNL som ledde denna forskning. "Vi behöver bättre verktyg för att mäta laddningstillstånd för katalytiska molekyler på ytor."
Katalysatorer är komplicerade material utformade för att öka effektiviteten och minska slöseriet i samband med att skapa produkter som bränslen, plast och läkemedel. Genom att förbättra katalysatorerna kan bränslen och andra material tillverkas med mindre energi och mindre avfall. Nuvarande fasta katalysatorer som verkar på flytande eller gasformiga reagens är ofta sammansatta av dåligt definierade metallnanopartiklar fördelade slumpmässigt på bärande material med stora ytareor. I kontrast, nästa generation av katalysatorer kommer att formuleras från kontrollerade mesoskala sammansättningar av metallkluster med egenskaper som beror på antalet metallatomer och laddningstillstånd. För att montera väldefinierade metallkluster till mesoskala strukturer för katalys, tekniker behövs som ger exakt kontroll över storleken, laddningstillstånd, och densitet av metallkluster på ytor.
"Vår metod ger atom-för-atom-kontroll av storleken och elektron-för-elektron-kontroll av laddningstillståndet för metallkluster på ytor, " sa Dr Grant Johnson, en fysikalisk kemist involverad i studien och tidigare Linus Pauling Fellow som nyligen började på laboratoriet som forskare på heltid.
Vid design av katalysatorer eller andra energirelaterade material, en cook and look approach används ofta. Forskare tar troliga material och kombinationer, tillämpa expertis och intuition, och syntetisera de nya materialen som behövs. Denna process är dyr och tidskrävande. Grundläggande kunskap och atomärt exakt kontroll behövs för att rationellt utforma de material som forskarna vill ha. Gå in i PNNL-teamet.
Forskningen består av två delar:syntes av metallklustren och mjuklandning av storleksutvalda kluster på ytor. De kluster som används i studien är tredubbelt laddade positiva joner (+3) mindre än 1 nanometer i diameter. De innehåller exakt 11 guldatomer.
"Den största utmaningen var inte syntesen, men karakteriseringen - att ta reda på hur många laddningar klustren behåller efter att de mjuklandats på ytor, sa Thomas Priest, en praktikant som arbetade med studien. "Det är ganska spännande att se hur olika de är beroende på ytans egenskaper." Präst, som var andraförfattare på två tidskriftsartiklar som beskrev forskning gjord under hans praktik, syntetiserade lösningarna av guldkluster. Priest arbetar nu med sin civilingenjörsexamen vid University of Louisville.
Ytorna som guldklustren deponerades på är en bas av guld med ett monolager av molekyler som innehåller en kolvätekedja och avslutas med olika funktionella grupper, såsom -CH 3 , -CF 3 eller -COOH. Genom att variera den terminala funktionsgruppen, molekylernas polaritet var avstämd från liten till extrem. Molekylernas polaritet bestämmer monoskiktets benägenhet att tunnla elektroner vid en viss potential.
Elektrontunnel genom skiktet har en stark effekt på laddningen av mjuklandade flerladdade klusterjoner på ytan. Till exempel, när ett milt polärt kolvätebaserat monoskikt används, de mjuklandade 3+ guldklustren får upp till tre elektroner från ytan, blir därmed neutral. I kontrast, på den mycket polära fluorbaserade ytan, guldklustren behåller sina 3+ laddningar, får inga elektroner från ytan. De polära molekylerna i monoskiktet introducerar en gränssnittsdipol, i huvudsak en laddningsbarriär mellan ytan och klustret.
Efter denna upptäckt, forskarna fortsatte med att se om täckningen av ytan i ett tätare lager av flerladdade guldkluster förändrade klustrens laddningar. Ur laddningssynpunkt, hela resultatet förändrades plötsligt. På den fluorbaserade ytan i de tidigare experimenten, alla klustren behöll sin +3-laddning. Nu, ytan hade ett centrum av guldkluster med en +1 laddning och, vid kanterna, klustren var övervägande +2 och +3.
Varför hände det här?
"Det större antalet multipelladdade kluster som deponerades på ytan byggde upp en tillräcklig potential för att låta elektronerna från ytan tunnla till guldklustren, och därigenom minska deras laddningstillstånd, "Förstå hur dessa tunnelbarriärer går sönder ger forskare den kunskap de behöver för att kontrollera materialets laddningar."
Laskin och Johnson använder nu denna kunskap för att förbereda specialiserade mesoskala-arrayer av väldefinierade metallkluster på ytor. Dessa arrayer kan ha tillämpningar i bränsleceller, och effektiva energikällor.
