En bildningsmekanism av nanokristallin ceriumdioxid (CeO2), ett mångsidigt nanomaterial, har avslöjats av forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och University of New South Wales i Sydney, Australien. Forskningsresultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Kemi – En europeisk tidskrift . Detta fynd förenklar och lindrar potentiellt de befintliga syntetiska processerna för nanokristallin CeO2-produktion.

Nanokristallina CeO2-partiklar används i stor utsträckning, till exempel, i katalysatorer för behandling av farliga gaser, i elektroder för fastoxidbränsleceller, i polermaterial för avancerade integrerade kretsar, inom kosmetika för solskydd, och i sådana medicinska tillämpningar som artificiellt superoxiddismutas. Nuvarande industriella synteser av nanokristallin CeO2 är baserad på sol-gel-processer följt av termisk behandling och/eller tillsats av accelererande reagens. Varje ytterligare förbättring av den syntetiska strategin för CeO2 nanokristaller kräver en bättre förståelse av de mekanismer som är involverade i deras bildande på atomär skala.

Dr. Atsushi Ikeda-Ohno från University of New South Wales, Australien, tillsammans med Dr. Christoph Hennig från HZDR valde ett sofistikerat multispektroskopiskt tillvägagångssätt som kombinerar dynamisk ljusspridning och synkrotronbaserade röntgentekniker. Dessa komplexa undersökningar involverade användningen av två världsledande synkrotronanläggningar i European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike, och SPring-8 i Hyogo, Japan.

Liveövervakning

För första gången någonsin, forskarna kunde utföra en observation på plats av nanokristallernas evolution. Än så länge, lite har varit känt om bildningsmekanismen för metallnanokristaller; främst för att lämpliga analystekniker saknades. De mest använda teknikerna för metallnanokristallforskning är elektronmikroskopi och röntgendiffraktion. De är tillräckligt kraftfulla för att visualisera utseendet på nanokristaller och för att förvärva deras gitterinformation, men de är inte tillämpliga på lösningstillståndet där utvecklingen av metallnanokristaller sker. "För att undersöka bildandet av nanokristallin CeO2 i en vattenlösning, vi kombinerade olika spektroskopiska tekniker, inklusive dynamisk ljusspridning, synkrotronröntgenabsorptionsspektroskopi, och högenergi röntgenspridning, " säger Dr. Atsushi Ikeda-Ohno.

Informationen som forskarna fick är grundläggande för att förenkla och lindra den syntetiska processen av CeO2 nanokristaller. De avslöjade att likformiga nanopartiklar av CeO2 kan produceras helt enkelt genom pH-justering av fyrvärt cerium (Ce(IV)) i en vattenlösning utan efterföljande fysisk/kemisk behandling som uppvärmning eller tillsats av accelererande kemikalier. De producerade CeO2-kristallerna har en enhetlig partikelstorlek på 2 - 3 nanometer, oberoende av beredningsförhållandena (t.ex. pH och typ av pH-justering). Denna partikelstorlek ligger exakt i det intervall som är intressant för industriella tillämpningar. Ett nyckelfynd är att mononukleära Ce(IV)-lösningsarter inte resulterar i nanostora CeO2-kristaller. Förutsättningen är närvaron av oligomera Ce(IV)-lösningsarter, såsom dimerer eller trimerer.

"Vi är verkligen mycket glada över att vårt multispektroskopiska tillvägagångssätt också kan tillämpas på all annan forskning om metallnanokristaller. Det är därför denna studie bidrar till ett framväxande forskningsområde om metallnanokristaller i ett bredare sammanhang, " säger Dr. Christoph Hennig. "Och HZDR:s egen mätstation vid ESRF ger bästa möjliga möjligheter för detta forskningsområde av metallnanokristaller som direkt bidrar till industriella tillämpningar."