Nanokluster (NC) är kristallina material som vanligtvis finns på nanometerskalan. De är sammansatta av atomer eller molekyler i kombination med metaller som kobolt, nickel, järn och platina, och har hittat flera intressanta tillämpningar inom olika områden, inklusive läkemedelstillförsel, katalys och vattenrening.
En minskning av storleken på NC:er kan låsa upp ytterligare potential, vilket möjliggör processer som enatomskatalys. I detta sammanhang visar koordinationen av organiska molekyler med individuella övergångsmetallatomer lovande för ytterligare framsteg inom detta område.
Ett innovativt tillvägagångssätt för att ytterligare minska storleken på NC innebär att metallatomer introduceras i självmonterade monolagerfilmer på plana ytor. Det är dock viktigt att vara försiktig när det gäller att säkerställa att arrangemanget av metallatomer på dessa ytor inte stör den ordnade karaktären hos dessa enskiktsfilmer.
Nu, i en nyligen genomförd studie som presenteras i Journal of Materials Chemistry C , Dr. Toyo Kazu Yamada från Graduate School of Engineering vid Chiba University, tillsammans med Masaki Horie från Department of Chemical Engineering vid National Tsing Hua University, Satoshi Kera från Institute for Molecular Science, och Peter Krüger också från Graduate School of Engineering vid Chiba University har visat upp yttillväxten av koboltatomer på molekylära ringarrayer vid rumstemperatur.
På tal om detta framsteg säger Dr. Yamada:"Denna avancerade metod för funktionell nanoklusterbildning med precision i atomskala kan användas i utvecklingen av högeffektiva katalysatorer eller i kvantberäkningar."
I studien använde laget ringformade molekylära strukturer som kallas "kronetrar", som innehåller bensen- och bromringar. Dessa strukturer användes för att fånga och odla kobolt NCs på plana kopparytor. De resulterande kobolt-NCs hade två storlekar, 1,5 nm och 3,6 nm. För att förstå deras egenskaper och struktur ytterligare användes olika tekniker, inklusive lågtemperatur scanning tunnelmikroskopi och spektroskopi (STM och STS), vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi (ARPES) med lågenergi elektrondiffraktion (LEED) och funktionell densitetsteori ( DFT) beräkningar.
Analysen avslöjade bildandet av stabila ytplatser till vilka koboltatomerna kunde fästa. Dessutom visade sig bildandet av dessa stabila ytställen påverkas av den elektroniska hybridiseringen (blandningen) mellan kronetrarna och kobolt. När koboltatomen väl var fångad, fungerade den som ett kärnbildningscentrum och lockade till sig andra koboltatomer för att bilda en NC. Dessutom, till skillnad från det vanliga beteendet hos kronetermolekyler i lösning, fångade dessa molekyler inte metallatomen i mitten av kronringen. Istället var metallatomen vid kanten, på grund av närvaron av bromatomer på den platsen.
Dr. Yamada diskuterar den långsiktiga potentialen för dessa fynd:"Användningen av detta tillvägagångssätt i tillämpningar som enatomskatalys, miniatyrisering av spintronikmedia och kvantberäkning kommer att bidra till utvecklingen av ett informationsbaserat samhälle i ett sätt som minskar koldioxid (CO2). ) produktion."
Sammanfattningsvis har teamet framgångsrikt visat tillväxten av kobolt NC genom att utnyttja fångstpotentialen hos tvådimensionella kronetermolekyler på en kopparyta. Det kemiska beteendet hos kronetermolekylerna avvek från typiska interaktioner som observerades i lösning, genom att fånga koboltatomer vid kanten, och inte mitten. Viktigt är att metoden visade effektiv och storskalig produktion av NC:er med väldefinierad storlek och morfologi vid rumstemperatur.
Mer information: Toyo Kazu Yamada et al, Tillväxt på ytan av övergångsmetall-koboltnanokluster med hjälp av en 2D-krona-eter-array, Journal of Materials Chemistry C (2023). DOI:10.1039/D3TC03339B
Tillhandahålls av Chiba University
