Controlar las formas de las partículas catalíticas y electrocatalíticas de tamaño nanométrico hechas de metales nobles como el platino y el paladio puede ser más complicado de lo que se pensaba anteriormente.

Usando experimentos sistemáticos, Los investigadores han investigado cómo la difusión superficial, un proceso en el que los átomos se mueven de un sitio a otro en superficies a nanoescala, afecta la forma final de las partículas. El tema es importante para una amplia gama de aplicaciones que utilizan formas específicas para optimizar la actividad y selectividad de las nanopartículas. incluidos los convertidores catalíticos, tecnología de pila de combustible, catálisis química y plasmónicos.

Los resultados de la investigación podrían conducir a una mejor comprensión de cómo gestionar el proceso de difusión controlando la temperatura de reacción y la velocidad de deposición. o introduciendo barreras estructurales diseñadas para obstaculizar el movimiento superficial de los átomos.

“Queremos poder diseñar la síntesis para producir nanopartículas con la forma exacta que queremos para cada aplicación específica, "dijo Younan Xia, profesor en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University. "Fundamentalmente, es importante comprender cómo se forman estas formas, para visualizar cómo sucede esto en estructuras en una escala de longitud de unos 100 átomos ".

La investigación se informó el 8 de abril en la primera edición en línea de la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ). La investigación fue patrocinada por la National Science Foundation (NSF).

El control de la forma de las nanopartículas es importante en la catálisis y otras aplicaciones que requieren el uso de metales nobles costosos como el platino y el paladio. Por ejemplo, optimizar la forma de las nanopartículas de platino puede mejorar sustancialmente su actividad catalítica, reducir la demanda del material precioso, señaló Xia, quien es un eminente erudito en nanomedicina de la Georgia Research Alliance (GRA). Xia también tiene nombramientos conjuntos en la Escuela de Química y Bioquímica y la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech.

"Controlar la forma es muy importante para ajustar la actividad de los catalizadores y minimizar la carga de los catalizadores, ", dijo." El control de la forma también es muy importante en las aplicaciones plasmónicas, donde la forma controla dónde se colocan la absorción óptica y los picos de dispersión. La forma también es importante para determinar dónde se concentrarán las cargas eléctricas en las nanopartículas ".

Aunque la importancia de la forma de las partículas a nanoescala es bien conocida, los investigadores no habían entendido antes la importancia de la difusión superficial en la creación de la forma final de la partícula. Añadiendo átomos a las esquinas de los cubos de platino, por ejemplo, puede crear partículas con "brazos" salientes que aumentan la actividad catalítica. Las superficies convexas en partículas cúbicas también pueden proporcionar un mejor rendimiento. Pero esas formas ventajosas deben crearse y mantenerse.

Las preferencias energéticas naturales relacionadas con la disposición de los átomos en las estructuras diminutas favorecen una forma esférica que no es ideal para la mayoría de los catalizadores. pilas de combustible y otras aplicaciones.

En su investigación, Xia y sus colaboradores variaron la temperatura del proceso utilizado para depositar átomos en nanocristales metálicos que actuaron como semillas para las nanopartículas. También variaron la velocidad a la que se depositaron los átomos en las superficies, que se determinaron por la velocidad de inyección a la que se introdujo un material precursor químico. La velocidad de difusión está determinada por la temperatura, con temperaturas más altas que permiten que los átomos se muevan más rápido en las superficies de las nanopartículas. En la investigación, Se utilizaron iones bromuro para limitar el movimiento de los átomos añadidos de una parte de la partícula a otra.

Utilizando microscopía electrónica de transmisión, los investigadores observaron las estructuras que se formaron en diferentes condiciones. Por último, encontraron que la relación entre la tasa de deposición y la tasa de difusión determina la forma final. Cuando la relación es mayor que uno, los átomos adsorbidos tienden a quedarse donde están. Si la relación es menor que uno, tienden a moverse.

"A menos que la reacción atómica esté en cero absoluto, siempre tendrás algo de difusión, "dijo Xia, quien ocupa la Cátedra de la Familia Brock en el Departamento de Ingeniería Biomédica. "Pero si puede agregar átomos a la superficie en los lugares que los desea más rápido de lo que pueden difundir, puedes controlar el destino final de los átomos ".

Xia cree que la investigación también puede conducir a técnicas mejoradas para preservar las formas únicas de las nanopartículas incluso a altas temperaturas de funcionamiento.

"Fundamentalmente, es muy útil para las personas saber cómo se forman estas formas, ", dijo." La mayoría de estas estructuras se habían observado antes, pero la gente no entendió por qué se formaron bajo ciertas condiciones. Para hacer eso, necesitamos poder visualizar lo que sucede en estas estructuras diminutas ".

El equipo de investigación de Xia también estudió el impacto de la difusión en partículas bimetálicas compuestas tanto de paladio como de platino. La combinación puede mejorar ciertas propiedades, y debido a que el paladio es actualmente más económico que el platino, el uso de un núcleo de paladio cubierto por una fina capa de platino proporciona la actividad catalítica del platino al tiempo que reduce los costos.

En ese caso, La difusión de la superficie puede ser útil para cubrir la superficie del paladio con una única monocapa de platino. Solo los átomos de platino de la superficie podrán proporcionar las propiedades catalíticas, mientras que el núcleo de paladio solo sirve como soporte.

La investigación es parte de un estudio a largo plazo de nanopartículas catalíticas que está llevando a cabo el grupo de investigación de Xia. Otros aspectos del trabajo del equipo abordan los usos biomédicos de las nanopartículas en áreas como la terapia del cáncer.

"Estamos muy entusiasmados con este resultado porque es genérico y se puede aplicar para comprender y controlar la difusión en las superficies de muchos sistemas, Xia agregó. "En última instancia, queremos ver cómo podemos aprovechar esta difusión para mejorar las propiedades catalíticas y ópticas de estas nanopartículas".