Utvecklingen av bimetalliska nanopartiklar (dvs. små partiklar sammansatta av två olika metaller som uppvisar flera nya och förbättrade egenskaper) representerar ett nytt forskningsområde med ett brett spektrum av potentiella tillämpningar. Nu, ett forskarlag vid University of Maryland (UMD) A. James Clark School of Engineering har utvecklat en ny metod för att blanda metaller som är allmänt kända för att vara oblandbara, eller oblandbar, på nanoskala för att skapa en ny serie bimetalliska material. Ett sådant bibliotek kommer att vara användbart för att studera rollen av dessa bimetalliska partiklar i olika reaktionsscenarier såsom omvandlingen av koldioxid till bränsle och kemikalier.

Studien, ledd av professor Liangbing Hu, publicerades i Vetenskapens framsteg den 24 april, 2020. Forskningsassistent Chunpeng Yang var första författare till studien.

"Med denna metod, vi kan snabbt utveckla olika bimetaller med hjälp av olika element, men med samma struktur och morfologi, ", sa Hu. "Då kan vi använda dem för att screena katalytiska material för en reaktion; sådana material kommer inte att begränsas av syntetiseringssvårigheter."

Den komplexa naturen hos nanostrukturerade bimetallpartiklar gör det svårt att blanda sådana partiklar med konventionella metoder, av en mängd olika skäl - inklusive metallernas kemiska sammansättning, partikelstorlek, och hur metaller ordnar sig på nanoskala.

Denna nya icke-jämviktssyntesmetod utsätter kopparbaserade blandningar för en termisk chock på cirka 1300 grader Celsius under 0,02 sekunder och kyler dem sedan snabbt till rumstemperatur. Målet med att använda ett så kort intervall av termisk värme är att snabbt fånga in, eller 'frysa, ' högtemperaturmetallatomerna vid rumstemperatur medan de bibehåller deras blandningstillstånd. Genom att göra så, forskargruppen kunde förbereda en samling homogena kopparbaserade legeringar. Vanligtvis, koppar blandas bara med ett fåtal andra metaller, såsom zink och palladium – men genom att använda denna nya metod, teamet breddade det blandbara sortimentet till att inkludera koppar med nickel, järn, och silver, också.

"Med hjälp av ett svepelektronmikroskop och transmissionselektronmikroskop, vi kunde bekräfta morfologin – hur materialen bildades – och storleken på de resulterande Cu-Ag [koppar-silver] bimetalliska nanopartiklarna, " sa Yang.

Denna metod kommer att göra det möjligt för forskare att skapa fler olika nanopartikelsystem, strukturer, och material som kan användas i katalys, biologiska tillämpningar, optiska tillämpningar, och magnetiska material.

Som ett modellsystem för snabb katalysatorutveckling, teamet undersökte kopparbaserade legeringar som katalysatorer för kolmonoxidreduktionsreaktioner, i samarbete med Feng Jiao, professor vid University of Delaware. Elektrokatalys av kolmonoxidreduktion (COR) är en attraktiv plattform, tillåta forskare att använda växthusgaser och förnybar elenergi för att producera bränslen och kemikalier.

"Koppar är, än så länge, den mest lovande monometalliska elektrokatalysatorn som driver kolmonoxidreduktion till förädlade kemikalier, ", sa Jiao. "Förmågan att snabbt syntetisera en mängd olika kopparbaserade bimetalliska nanolegeringar med en enhetlig struktur gör det möjligt för oss att genomföra grundläggande studier om förhållandet mellan struktur och egenskaper i COR och andra katalysatorsystem."

Den syntetiska strategin för icke-jämvikt kan utvidgas till andra bimetall- eller metalloxidsystem, för. Använda artificiell intelligens-baserad maskininlärning, den nya syntetiska metoden kommer att möjliggöra snabb katalysatorscreening och rationell design.