Catalizadores, a menudo nanopartículas de metal, participan en la producción de más del 80% de productos comerciales como plásticos, combustibles y productos farmacéuticos. Los métodos computacionales ayudan a diseñar catalizadores de nanopartículas que consisten en mezclas de metales, llamadas nanopartículas aleadas, con alta actividad de reacción y selectividad. Sin embargo, La producción de nanopartículas aleadas con composición arbitraria en el laboratorio aún no existen. En efecto, la química fundamental de la síntesis de nanopartículas aleadas sigue siendo un enigma.

Con ese fin, un equipo de investigación de la Universidad de Maryland (UMD) dirigido por Taylor Woehl, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE), aplicó un método novedoso —síntesis de microscopía electrónica de transmisión de fase líquida (LP-TEM) in situ— que permite una mirada más cercana a los procesos moleculares y nanoescalares que gobiernan cómo los metales se mezclan en nanopartículas aleadas durante la síntesis química húmeda. Mei Wang, un Ph.D. de ChBE Estudiante, sirvió como primer autor del estudio, publicado en ACS Nano .

"Observamos la formación de nanopartículas hechas de oro y cobre, catalizadores prometedores para convertir CO ₂ en moléculas orgánicas valiosas, en tiempo real a una escala de longitud nanométrica, "Dijo Wang." Con este método, la síntesis de nanopartículas se logra irradiando un precursor líquido con electrones de alta energía para simular las condiciones de la química húmeda. Encontramos condiciones de síntesis de electrones que imitaban de cerca la síntesis química húmeda, lo cual fue sorprendente dado que la dosis de radiación que recibe la muestra es muchas veces mayor que en un reactor nuclear comercial ".

Al descubrir estas condiciones, los autores se aseguraron de que lo que vieron con LP-TEM era representativo de lo que ocurre durante la síntesis química húmeda en la mesa de trabajo. Las simulaciones de reacción mostraron que los ligandos orgánicos en la solución, normalmente utilizado para controlar el tamaño y la estabilidad de las nanopartículas, proteger la solución de reacción de ser dañada por los electrones de alta energía.

Una observación clave en el estudio fue que la presencia de un ligando orgánico era fundamental para combinar oro y cobre en nanopartículas de aleación bien mezcladas.

"Descubrimos que el ligando permitió la formación de la aleación al unirse covalentemente al oro y al cobre para formar iones complejos, "dijo Woehl. Imágenes de resolución atómica y espectrometría de masas mostraron que los iones complejos se convirtieron en especies intermedias en la reacción de síntesis, llamados grupos de prenucleación. Encontramos estos grupos cada uno consta de unos pocos átomos de oro y cobre, fueron fundamentales para formar una aleación ".

Las especies intermedias luego se ensamblaron en nanocristales con una composición similar. Esta vía de formación de nanocristales es distinta de la imagen clásica de átomos individuales que se congregan en una nanopartícula.

Los autores encontraron que los ligandos orgánicos juegan un papel secundario importante en el fomento de la formación de grupos de prenucleación que contienen átomos de oro y cobre. Estos hallazgos sugieren que el control sobre los compuestos intermedios de metales es la clave para la síntesis de catalizadores de nanopartículas aleadas.