Katalysatorer, ofta metall nanopartiklar, är involverade i produktionen av över 80 % av kommersiella produkter som plast, bränslen och läkemedel. Beräkningsmetoder hjälper till att designa nanopartikelkatalysatorer som består av blandningar av metaller, kallade legerade nanopartiklar, med hög reaktionsaktivitet och selektivitet. Dock, att producera legerade nanopartiklar med godtycklig sammansättning i labbet finns ännu inte. Verkligen, den grundläggande kemin för syntes av legerade nanopartiklar förblir en gåta.

För detta ändamål, ett forskarlag vid University of Maryland (UMD) ledd av Taylor Woehl, en biträdande professor vid Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik (ChBE), tillämpat en ny metod - in situ vätskefastransmissionselektronmikroskopi (LP-TEM) syntes - som tillåter en närmare titt på de molekylära och nanoskala processer som styr hur metaller blandas in i legerade nanopartiklar under våtkemisk syntes. Mei Wang, en ChBE Ph.D. Studerande, fungerade som första författare i studien, publiceras i ACS Nano .

"Vi observerade bildandet av nanopartiklar gjorda av guld och koppar - lovande katalysatorer för att omvandla CO ₂ till värdefulla organiska molekyler – i realtid på nanometerskalan, " sa Wang. "Med den här metoden, syntesen av nanopartiklar uppnås genom att bestråla en flytande prekursor med högenergielektroner för att simulera betingelserna för våtkemi. Vi hittade elektronsyntesförhållanden som nära efterliknade våtkemisk syntes, vilket var förvånande med tanke på att stråldosen provet får är många gånger större än i en kommersiell kärnreaktor."

Genom att upptäcka dessa tillstånd, författarna säkerställde att det de såg med LP-TEM var representativt för vad som sker under våtkemisk syntes på bänkskivan. Reaktionssimuleringar visade att organiska ligander i lösningen, används normalt för att kontrollera storleken och stabiliteten av nanopartiklarna, skydda reaktionslösningen från att skadas av högenergielektronerna.

En viktig observation i studien var att närvaron av en organisk ligand var avgörande för att kombinera guld och koppar till väl blandade legerade nanopartiklar.

"Vi fann att liganden möjliggjorde legeringsbildning genom att kovalent binda till guld och koppar för att bilda komplexa joner, " sa Woehl. Atomupplösningsavbildning och masspektrometri visade att de komplexa jonerna omvandlades till mellanliggande arter i syntesreaktionen, kallas prenukleationskluster. Vi hittade dessa kluster, var och en består av några få guld- och kopparatomer, var avgörande för att bilda en legering."

De mellanliggande arterna sattes sedan ihop till nanokristaller med en liknande sammansättning. Denna nanokristallbildningsväg skiljer sig från den klassiska bilden av enskilda atomer som samlas till en nanopartikel.

Författarna fann att de organiska liganderna spelar en viktig sekundär roll för att uppmuntra bildandet av prenukleationskluster som innehåller både guld- och kopparatomer. Dessa fynd tyder på att kontroll över metallklustermellanprodukter är nyckeln till syntes av legerade nanopartikelkatalysatorer.