Forskare vid Penn State och Purdue University har utvecklat nya material för förbättrad enatomskatalys och framtida elektronik.

Materialen, baserat på tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider (TMD) som inkluderar disulfider, diselenider och tellurider, har en mängd intressanta egenskaper som forskare skulle vilja utnyttja, speciellt för nästa generations elektronik och katalys.

Teamet deponerade ädelmetallerna guld och silver på de tvådimensionella TMD-substraten och studerade hur metallerna bildades och växte på TMD-ytorna. I alla fall utom ett, metallerna bildade nolldimensionella nanopartiklar, som teorin förutspådde. Men när det gäller silver avsatt på ditellurider, silvret bildade ett enda atomskikt som täckte hela substratet.

"Vi försökte experimenten om och om igen, men såg inga bevis för bildning av silvernanopartiklar på övergångsmetallen ditellurider, men vi visste att silvret var där, " sa Yifan Sun, tidigare doktorand i Penn State och huvudförfattare på ett papper som publicerades denna vecka i tidskriften Naturkemi .

Teamet fann att gränssnitten mellan TMD:erna och ädelmetallerna var viktiga för att bestämma metallernas tillväxt och slutliga struktur.

"Det var verkligen intressant för oss och ger nya insikter om hur man undersöker gränssnitten mellan 2-D och 3-D nanostrukturer, " tillade Sun.

Teamet tror att denna kunskap kommer att vara användbar inom ett viktigt kemiområde som kallas single-atom catalysis. Problemet som enatomskatalys för närvarande står inför är att när densiteten av de katalytiska atomerna ökar tenderar de att bilda aggregat som samlas i nanopartiklar, vilket minskar den katalytiska aktiviteten. Eftersom mer än 85 procent av kemikalierna produceras genom katalys, en enatomsprocess som inte aggregerade kunde ha enorma fördelar.

"Processen tillåter oss att i framtiden tänka på hur du kan designa enatomskatalysatorer som hade minimala mängder av dessa dyra ädelmetaller och har förbättrade egenskaper på grund av det, sa Ray Schaak, Dupont professor i kemi, och motsvarande författare på Nature Chemistry paper.

En annan plats där folk skulle vilja använda den här typen av material är inom elektronik. De behöver ofta få kontakt med en metalltråd och den här typen av tillväxt på TMD ger den förankringspunkten.

"2D-metaller är ett framväxande område och det var väldigt svårt att övertyga folk om att vi hade ett 2D-silverlager, sa Mauricio Terrones, Verne M. Willaman professor i fysik, och framstående professor i fysik, kemi och materialvetenskap och teknik, Penn State. "Det händer inte med andra material."

I framtiden, forskarna tänker prova andra metaller som har mer intressanta katalytiska egenskaper än silver.