Deux méthodes de gravure différentes ont produit deux types différents de nanoparticules :le nanoriz (en haut) et les nanohaltères. À la fois, la surface plane d'origine du nanocuboïde a été remplacée par une surface incurvée plus exposée, atomes catalytiquement actifs. Crédit :Société chimique américaine
(Phys.org) — Les catalyseurs de surface sont notoirement difficiles à étudier mécaniquement, mais des scientifiques de l'Université de Caroline du Sud et de l'Université Rice ont montré comment obtenir des informations de réaction en temps réel à partir de nanocatalyseurs Ag qui ont longtemps frustré les tentatives de décrire leur comportement cinétique en détail.
La clé du succès de l'équipe était de combler un écart de taille qui avait représenté un grand gouffre pour les chercheurs dans le passé. Pour être efficaces en tant que nanocatalyseurs, métaux nobles tels que Au, pt, Pd et Ag doivent généralement être des nanoparticules inférieures à 5 nm, dit Hui Wang, professeur adjoint de chimie et de biochimie en Caroline du Sud qui a dirigé l'équipe en collaboration avec Peter Nordlander de l'Université Rice.
Malheureusement, 5 nm est en dessous du seuil de taille auquel la résonance plasmon peut être efficacement exploitée. La résonance plasmon est un phénomène donnant lieu à une amélioration spectaculaire des signaux électromagnétiques incident, qui est à la base de techniques analytiques telles que la spectroscopie Raman améliorée de surface (SERS).
La capacité d'utiliser la puissance analytique de la résonance plasmonique dans un nanomatériau nécessite des nanoparticules plus grosses, "au moins des dizaines de nanomètres de diamètre, ", explique Wang. L'incompatibilité des deux régimes de taille avait longtemps exclu l'utilisation d'une gamme de techniques spectrales basées sur la résonance plasmonique - la SERS n'en est qu'une - sur des nanocatalyseurs de métaux nobles de moins de 5 nm.
Mais comme ils viennent de le signaler dans Lettres nano , Wang et son équipe ont réussi à combiner le meilleur des deux mondes de taille.
La gravure peut être interrompue à différentes étapes pour produire une gamme de tailles et de formes de nanoparticules. Des nanocuboïdes (en haut) et des nanohaltères à deux étapes de gravure différentes (au milieu et en bas) sont montrés ici. Crédit :Société chimique américaine
A partir de nanoparticules cubiques d'environ 50 nm de large et 120 nm de long, ils ont gravé chimiquement les surfaces planes d'une manière qui a généré des surfaces courbes, créer des nanoparticules qui ont catalysé avec succès une réaction d'hydrogénation de surface modèle. Selon l'équipe, la catalyse est le résultat du remplacement d'atomes de faible énergie sur la surface plane par des atomes exposés après gravure.
"Si vous avez une surface plane, le nombre de coordination de chaque atome de surface est de huit ou neuf, " dit Wang de leurs nanoparticules, qui avait une surface d'Ag pur avant gravure. "Mais si vous avez des pas atomiques sur une surface, le nombre de coordination diminuera. Ces atomes exposés sont plus actifs."
La surface étagée du nanomatériau gravé imite ainsi l'environnement d'une nanoparticule inférieure à 5 nm :plus exposée, les atomes de surface actifs peuvent participer à la catalyse.
Et la catalyse se fait sur une nanoparticule à activité plasmonique, dont les chercheurs ont montré qu'ils peuvent être "réglés" en faisant varier la forme et la taille des nanoparticules. L'équipe a démontré la capacité de convertir des cuboïdes (quelque chose comme une tige courte mais avec des côtés carrés plutôt que ronds) en ce qu'ils ont appelé « nanorice » et « nanodumbbells » grâce à deux types différents de gravure chimique. Les deux formes avaient des propriétés plasmoniques distinctes qui pouvaient être modifiées en arrêtant la gravure à différentes étapes pour créer différentes tailles et formes de riz et d'haltères à l'échelle nanométrique.
Les propriétés spectrales des différentes nanoparticules dépendent de la taille et de la forme et peuvent être ajustées en variant les temps de gravure. Crédit :Société chimique américaine
Cette activité plasmonique peut être exploitée pour la SERS et d'autres techniques analytiques afin d'étudier les réactions catalytiques en détail au fur et à mesure qu'elles se produisent.
"La spectroscopie Raman est extrêmement puissante, avec des informations sur les empreintes moléculaires - vous pouvez voir les structures, vous pouvez dire comment les molécules sont orientées sur la surface, " dit Wang. " Si vous voulez utiliser GC, HPLC, ou spec de masse, vous devez endommager un échantillon, mais ici, vous pouvez réellement surveiller la réaction en temps réel.
"Et il y a beaucoup plus d'informations avec cette approche. Par exemple, nous avons identifié l'intermédiaire le long de la voie de réaction. Avec ces autres approches, c'est vraiment difficile de faire ça."
