Att kontrollera formerna på nanometerstora katalytiska och elektrokatalytiska partiklar gjorda av ädelmetaller som platina och palladium kan vara mer komplicerat än man tidigare trott.

Med hjälp av systematiska experiment, forskare har undersökt hur ytdiffusion – en process där atomer rör sig från en plats till en annan på nanoskala ytor – påverkar den slutliga formen på partiklarna. Frågan är viktig för ett brett spektrum av applikationer som använder specifika former för att optimera aktiviteten och selektiviteten hos nanopartiklar, inklusive katalysatorer, bränslecellsteknik, kemisk katalys och plasmonik.

Resultaten av forskningen skulle kunna leda till en bättre förståelse för hur man hanterar diffusionsprocessen genom att kontrollera reaktionstemperaturen och deponeringshastigheten, eller genom att införa strukturella barriärer utformade för att hindra atomernas ytrörelse.

"Vi vill kunna designa syntesen för att producera nanopartiklar med den exakta formen vi vill ha för varje specifik applikation, sa Younan Xia, en professor vid Wallace H. Coulter Institutionen för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University. "I grunden det är viktigt att förstå hur dessa former bildas, för att visualisera hur detta händer på strukturer över en längdskala på cirka 100 atomer. "

Forskningen rapporterades 8 april i den tidiga onlineupplagan av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Forskningen sponsrades av National Science Foundation (NSF).

Att kontrollera formen på nanopartiklar är viktigt vid katalys och andra tillämpningar som kräver användning av dyra ädelmetaller som platina och palladium. Till exempel, att optimera formen på platinananopartiklar kan avsevärt förbättra deras katalytiska aktivitet, minska efterfrågan på det dyrbara materialet, noterade Xia, som är en framstående forskare inom nanomedicin i Georgia Research Alliance (GRA). Xia har också gemensamma möten i School of Chemistry and Biochemistry och School of Chemical and Biomolecular Engineering vid Georgia Tech.

"Kontroll av formen är mycket viktigt för att justera aktiviteten hos katalysatorer och för att minimera belastningen av katalysatorerna, "Sade han. "Formkontroll är också mycket viktigt i plasmoniska tillämpningar, där formen styr var optisk absorption och spridningstoppar är placerade. Form är också viktigt för att avgöra var de elektriska laddningarna kommer att koncentreras på nanopartiklar."

Även om vikten av partikelform i nanoskala har varit välkänd, forskare hade inte tidigare förstått vikten av ytdiffusion för att skapa den slutliga partikelformen. Lägga till atomer i hörnen av platinakuber, till exempel, kan skapa partiklar med utskjutande "armar" som ökar den katalytiska aktiviteten. Konvexa ytor på kubiska partiklar kan också ge bättre prestanda. Men de fördelaktiga formerna måste skapas och underhållas.

Naturliga energetiska preferenser relaterade till arrangemanget av atomer på de små strukturerna gynnar en sfärisk form som inte är idealisk för de flesta katalysatorer, bränsleceller och andra applikationer.

I sin forskning, Xia och hans medarbetare varierade temperaturen i processen som användes för att avsätta atomer på metalliska nanokristaller som fungerade som frön för nanopartiklarna. De varierade också hastigheten med vilken atomer avsattes på ytorna, vilka bestämdes av injektionshastigheten vid vilken ett kemiskt prekursormaterial infördes. Diffusionshastigheten bestäms av temperaturen, med högre temperaturer som gör att atomerna kan röra sig snabbare på nanopartikelytorna. I forskningen, bromidjoner användes för att begränsa rörelsen av de tillsatta atomerna från en del av partikeln till en annan.

Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, forskarna observerade strukturerna som bildades under olika förhållanden. I sista hand, de fann att förhållandet mellan avsättningshastigheten och diffusionshastigheten bestämmer den slutliga formen. När förhållandet är större än ett, de adsorberade atomerna tenderar att stanna där de är placerade. Om förhållandet är mindre än ett, de tenderar att röra sig.

"Om inte atomreaktionen är på absolut noll, du kommer alltid ha lite spridning, "sa Xia, som innehar familjen Brock ordförande vid institutionen för biomedicinsk teknik. "Men om du kan lägga till atomer till ytan på de platser du vill ha dem snabbare än de kan diffundera, du kan kontrollera slutdestinationen för atomerna."

Xia tror att forskningen också kan leda till förbättrade tekniker för att bevara de unika formerna av nanopartiklar även vid höga driftstemperaturer.

"I grunden det är mycket användbart för människor att veta hur dessa former bildas, " sa han. "De flesta av dessa strukturer hade observerats tidigare, men folk förstod inte varför de bildades under vissa förhållanden. Att göra det, vi måste kunna visualisera vad som händer på dessa små strukturer."

Xias forskargrupp studerade också effekten av diffusion på bimetalliska partiklar som består av både palladium och platina. Kombinationen kan förbättra vissa egenskaper, och eftersom palladium för närvarande är billigare än platina, Användning av en kärna av palladium täckt av ett tunt lager av platina ger platinas katalytiska aktivitet samtidigt som kostnaden reduceras.

I det fallet ytdiffusion kan vara till hjälp för att täcka palladiumytan med ett enda monolager av platina. Endast ytplatinaatomerna kommer att kunna tillhandahålla de katalytiska egenskaperna, medan palladiumkärnan endast tjänar som ett stöd.

Forskningen är en del av en långtidsstudie av katalytiska nanopartiklar som genomförs av Xias forskargrupp. Andra aspekter av teamets arbete behandlar biomedicinska användningar av nanopartiklar inom områden som cancerterapi.

"Vi är mycket glada över detta resultat eftersom det är generiskt och kan användas för att förstå och kontrollera diffusion på ytorna av många system, "Tillade Xia." I slutändan vill vi se hur vi kan dra fördel av denna diffusion för att förbättra de katalytiska och optiska egenskaperna hos dessa nanopartiklar. "