Nanopartiklar varierar i storlek från 1 till 100 nanometer, och jämfört med vanliga partiklar är de kända för att ha unika egenskaper som i allt högre grad används för att diagnostisera cancer, utveckla små elektroniska enheter och solbatterier, såväl som i många andra sfärer.
I deras nya artikel publicerad i Physical Review B , avslöjade forskare från Skoltech att katalytiska egenskaper hos bimetalliska nanopartiklar – när ett material accelererar eller försenar en kemisk reaktion utan att förbrukas av reaktionen – kan finjusteras samtidigt som nanopartikelns struktur ändras.
För närvarande är av största intresse bimetalliska kärna-skal-partiklar, där kärnan och skalet består av olika metaller. Forskare studerade tre typer av nanopartiklar:Cu-core/Au-shell, Au-core/Cu-shell och homogena bimetalliska AuCu-legeringspartiklar. Till skillnad från kärna-skal-partiklar är strukturen hos vanliga bimetallpartiklar inte ordnad.
"Vi observerade hur olika kärn-skal-förhållanden kan förändra elektroniska tillstånd på ytan. Dessa förändringar har en inverkan på bindningsförmågan mellan en nanopartikel och en molekyl av CO. Vi drog slutsatsen att det är möjligt att fördubbla adsorptionsenergin – mer exakt, kemisorption, som är en kemisk bindning mellan atomer, molekyler av gaser och ytan på kristallen eller nanopartikeln – i förhållande till en ren metall genom att finjustera förhållandet mellan kärna och skal i nanopartikeln, säger forskaren Ilya Chepkasov från Materialet. Discovery Laboratory, den ledande författaren till studien.
Studien involverade flera steg och använde densitetsfunktionsteori. I det första steget använde teamet nanopartiklar i storleken 2 nanometer för att konstruera kärna-skal-partiklar med olika kärn-skal-förhållanden och analyserade hur ytladdningen förändrades beroende på förhållandet. Efteråt beräknade forskarna adsorptionen av CO- och O-molekyler på ytan av nanopartiklar och visade hur nanopartiklars adsorptionsegenskaper kan förändras genom att variera ytladdningen som är förknippad med att finjustera dess struktur.
"Vi avslöjade grundläggande mönster som senare kommer att användas för att utveckla AI-drivna modeller för effektiv förutsägelse av adsorption och katalytiska egenskaper hos bimetalliska nanopartiklar samtidigt som vi utför screening med hög genomströmning för nya material med specificerade egenskaper," tillade professor Alexander Kvashnin från Energy Transition Center, chefen för forskningen.
Resultaten visar att finjustering av strukturen hos nanopartiklar hjälper till att hitta de nödvändiga katalytiska egenskaperna hos nanopartiklar, vilket kommer att hjälpa till att kontrollera katalysatorn. Den praktiska relevansen ligger i att förbättra gasrening – till exempel för att rena tekniska gaser från mycket giftig CO och göra dem säkrare.
Mer information: Ilya V. Chepkasov et al, Structure-driven tuning of O- och CO-adsorption på AuCu-nanopartiklar:A density functional theory study, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.205414
Journalinformation: Fysisk granskning B
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
