微米和纳米科技材料

最新研究为金属纳米晶体的生长提供反应动力学数据

最新研究为金属纳米晶体的生长提供反应动力学数据

钯晶体生长的自催化表面所需的还原活化能的比较表。来源:佐治亚理工学院

研究人员发表了一篇关于他们得到的一个数据库,这一数据资料显示了涉及生产金属胶体纳米晶这种材料适合用于催化、生物医学、光子和电子应用等,涉及到自催化机制。

在以溶液为基础的过程中,前体化学品吸附到纳米晶种子之前,被还原成原子,以促进纳米晶体的生长。动力学数据是建立在对不同晶面结构的生长速率进行细致的系统研究的基础上,在表面结构上通过控制单个原子来控制晶体生长。

在近日发表在《Proceedingsof the National Academy of Sciences》杂志上的一篇文章中,乔治亚理工学院的一个研究小组提供了一个关于表面状态如何控制钯纳米晶生长的定量图。这项工作后来将包括由其他贵金属制成的纳米晶的信息,这项研究得到了美国国家科学基金会的支持。

“这就是研究催化纳米晶如何从微小形态渐渐生长一项基础性的研究,有很多人在这个领域工作可以从系统的效益,我们已经开发了关于这种晶体的一些定量信息,” Younan Xia说,他是佐治亚理工大学和埃默里大学华勒斯H.Coulter生物医学工程系的教授。“我们期望这项工作将有助于研究人员控制许多不同应用所需的纳米晶的形貌。”

控制纳米晶如何从微小种子生长的一个关键因素是种子晶面的表面能。研究人员已经认识到,能量障碍决定了溶液中前体的表面吸引力,但对于每一种小面的能量屏障的具体信息却不是现成的。

“通常情况下,这被用来生长这些纳米晶的表面没有均匀的,”Xia解释说,他也是世卫组织也是乔治亚研究联盟的杰出学者,并在化学与生物化学学院和化学与生物分子工程学院举行任职。“你可能在晶体上有不同的刻面,这取决于它们下面的原子的排列。从种子周围溶液中的前体的角度来看,这些表面具有不同的活化能,这决定了前体或原子在每个表面上降落的困难程度。”

Xia的研究小组设计了实验,以评估各种方面的能源壁垒,使用种子在各种大小和表面配置选择只有一种类型的小面。研究人员测量溶液中的晶体生长速度和四溴化钯的浓度的变化。

他解释说:“通过选择正确的前体,我们可以确保我们所测量的所有减少都是表面的,而不是在溶液中。这使我们能够对晶体生长作出有意义的测量,这种生长受刻面类型的控制,以及孪晶边界的存在,对应于独特的生长模式和最终结果得到很好的了解。”

在近一年的时长里,访问研究生助理Tung Han Yang用不同类型的种子研究纳米晶的生长。Xia的研究小组选择从基底中研究生长,而不是通过自核化来实现纳米晶生长,从而控制初始条件。

控制纳米晶的形状对于催化、光子学、电子学和医学的应用至关重要。由于这些贵金属价格昂贵,所以减少催化应用所需的材料量有助于控制成本。

Xia说:“当你用这些材料进行催化时,你要确保纳米晶体尽可能的小,所有的原子都暴露在表面上。如果它们不在表面,它们将不会对化学反应活出贡献,因此将被浪费。”

这项研究的最终目标是建立一个数据库,科学家可以用它来指导纳米晶体生长的具体尺寸,形状和催化活性。除了钯外,研究人员还计划公布金、银、铂、铑等纳米晶的动力学研究结果。夏说,尽管能源壁垒的格局可能不同,但能源壁垒如何控制增长将是相似的。

他解释说:“实际上,原子是如何排列在表面上决定表面能量的。”根据所涉及的金属,确切的数字将不同,但小面类型之间的比率应该大致相同。

Xia希望他的研究小组的工作将导致更好地了解催化过程如何在这些纳米材料的合成工作,并最终以更广泛的应用。

“如果你想控制的形态和属性,你需要这个信息,这样你就可以选择正确的前体和还原剂,”Xia说。“这一系统的研究将获得这些材料的数据库。这仅仅是我们计划要做的事情的开始。”

来源:httpss://phys.org/news/2017-12-reaction-kinetics-deterministic-synthesis-metallic.html

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