Via des méthodes de synthèse bimétalliques classiques, seuls les métaux facilement miscibles (indiqués en vert) peuvent se mélanger avec Cu tandis que d'autres (indiqués en rouge) forment des structures à phases séparées (comme le noyau-enveloppe). En revanche, via la synthèse hors équilibre, Cu et d'autres métaux peuvent être piégés cinétiquement dans des nanoparticules mélangées de manière homogène, indépendamment de leur miscibilité thermodynamique. Crédit :Yang et al.
Le développement de nanoparticules bimétalliques (c. minuscules particules composées de deux métaux différents qui présentent plusieurs propriétés nouvelles et améliorées) représente un nouveau domaine de recherche avec un large éventail d'applications potentielles. Maintenant, une équipe de recherche de la A. James Clark School of Engineering de l'Université du Maryland (UMD) a développé une nouvelle méthode pour mélanger des métaux généralement connus pour être non miscibles, ou non mixable, à l'échelle nanométrique pour créer une nouvelle gamme de matériaux bimétalliques. Une telle bibliothèque sera utile pour étudier le rôle de ces particules bimétalliques dans divers scénarios de réaction tels que la transformation du dioxyde de carbone en carburant et en produits chimiques.
L'étude, dirigé par le professeur Liangbing Hu, a été publié dans Avancées scientifiques le 24 avril, 2020. L'associé de recherche Chunpeng Yang a été le premier auteur de l'étude.
« Avec cette méthode, nous pouvons développer rapidement différents bimétalliques en utilisant divers éléments, mais avec la même structure et la même morphologie, " a déclaré Hu. "Ensuite, nous pouvons les utiliser pour cribler des matériaux catalytiques pour une réaction; ces matériaux ne seront pas limités par des difficultés de synthèse."
La nature complexe des particules bimétalliques nanostructurées rend difficile le mélange de telles particules à l'aide de méthodes conventionnelles, pour diverses raisons, y compris la composition chimique des métaux, la taille des particules, et comment les métaux s'arrangent à l'échelle nanométrique.
Cette nouvelle méthode de synthèse hors équilibre expose les mélanges à base de cuivre à un choc thermique d'environ 1 300 degrés Celsius pendant 0,02 seconde, puis les refroidit rapidement à température ambiante. Le but d'utiliser un intervalle aussi court de chaleur thermique est de piéger rapidement, ou 'congeler, ' les atomes métalliques à haute température à température ambiante tout en maintenant leur état de mélange. Ce faisant, l'équipe de recherche a pu préparer une collection d'alliages homogènes à base de cuivre. Typiquement, le cuivre ne se mélange qu'à quelques autres métaux, comme le zinc et le palladium, mais en utilisant cette nouvelle méthode, l'équipe a élargi la gamme miscible pour inclure le cuivre avec le nickel, fer à repasser, et argent, également.
"À l'aide d'un microscope électronique à balayage et d'un microscope électronique à transmission, nous avons pu confirmer la morphologie - comment les matériaux se sont formés - et la taille des nanoparticules bimétalliques Cu-Ag [cuivre-argent] résultantes, " a dit Yang.
Cette méthode permettra aux scientifiques de créer des systèmes de nanoparticules plus diversifiés, structure, et matériaux ayant des applications en catalyse, applications biologiques, applications optiques, et des matériaux magnétiques.
En tant que système modèle pour le développement rapide de catalyseurs, l'équipe a étudié les alliages à base de cuivre comme catalyseurs pour les réactions de réduction du monoxyde de carbone, en collaboration avec Feng Jiao, professeur à l'Université du Delaware. L'électro-catalyse de réduction du monoxyde de carbone (COR) est une plateforme attractive, permettant aux scientifiques d'utiliser les gaz à effet de serre et l'énergie électrique renouvelable pour produire des carburants et des produits chimiques.
"Le cuivre est, jusqu'ici, l'électrocatalyseur monométallique le plus prometteur qui entraîne la réduction du monoxyde de carbone en produits chimiques à valeur ajoutée, " a déclaré Jiao. " La capacité de synthétiser rapidement une grande variété de nanoalliages bimétalliques à base de cuivre avec une structure uniforme nous permet de mener des études fondamentales sur la relation structure-propriété dans le COR et d'autres systèmes catalytiques. "
La stratégie de synthèse hors équilibre peut être étendue à d'autres systèmes bimétalliques ou à oxydes métalliques, trop. En utilisant l'apprentissage automatique basé sur l'intelligence artificielle, la nouvelle méthode de synthèse permettra un criblage rapide du catalyseur et une conception rationnelle.
