Un diagramme schématique montre une nanoparticule d'or stabilisée avec des ligands d'alcool polyvinylique (PVA).
Nanoparticules d'or, dit Chris Kiely, sont en train de devenir rapidement certains des diplomates les plus efficaces du nanomonde.
Ils facilitent un large éventail de réactions chimiques entre des molécules qui n'interagiraient normalement pas ou ne le feraient qu'à des températures beaucoup plus élevées.
Et dans la plupart des cas, ils effectuent un seul résultat favorable avec peu, si seulement, réactions secondaires indésirables.
En bref, dit Kiely, professeur de science et génie des matériaux, les nanoparticules sont de très bons catalyseurs.
Méthodes classiques de préparation de nanoparticules d'or, cependant, modifier la morphologie et l'activité catalytique des particules.
Maintenant, une équipe internationale de chercheurs a développé une procédure qui améliore l'exposition de surface des nanoparticules d'or et leur activité catalytique sur une gamme de réactions.
Une nouvelle procédure améliore la convention
L'équipe a rendu compte de ses résultats en juillet en Chimie de la nature dans un article intitulé « Facile Removal of stabiliser-ligands fromsupported gold nanoparticles. »
Ses membres comprennent Kiely et Graham Hutchings, un chimiste à l'Université de Cardiff au Pays de Galles au Royaume-Uni, qui ont étudié le nanogold ensemble pendant plus d'une décennie.
« Dans l'industrie, " dit Kiely, « la façon la plus courante de préparer des nanocatalyseurs en or est d'imprégner d'abord un support d'oxyde nanocristallin, tels que l'oxyde de titane (TiO2) avec de l'acide chloraurique. Une réaction de réduction convertit ensuite l'acide en nanoparticules métalliques.
« Malheureusement, ceci conduit à une dispersion d'espèces d'or sur le support, tels que des atomes d'or isolés, clusters mono- et bi-couches, en plus des nanoparticules de différentes tailles.
Une technique alternative qui permet un contrôle plus précis de la taille et de la structure des particules, consiste à préformer les nanoparticules d'or dans une solution colloïdale avant de les déposer sur le support.
L'inconvénient de cette méthode est que lors de la fabrication, les nanoparticules sont recouvertes de molécules organiques - des ligands - qui les empêchent de s'agglomérer. Une fois déposés sur un support, ces ligands ont tendance à altérer les performances catalytiques de la nanoparticule en bloquant l'approche des molécules vers les sites actifs à la surface du métal.
Une forme plus douce d'élimination du ligand
Les méthodes précédentes pour éliminer ces ligands impliquaient des traitements thermiques allant jusqu'à 400 degrés C.
« À ces températures, la morphologie des nanoparticules change et elles commencent à fusionner, ", dit Kiely. « Il y a également une diminution significative de leur activité catalytique. »
L'équipe Kiely-Hutchings a développé une alternative plus douce pour éliminer les ligands des nanoparticules d'or stabilisées à l'alcool polyvinylique déposées sur un support en oxyde de titane - un simple lavage à l'eau chaude.
L'étudiant diplômé Ramchandra Tiruvalam a utilisé le microscope électronique à transmission JEOL 2200 FS à correction d'aberration de Lehigh pour examiner les catalyseurs avant et après le lavage et pour les comparer avec ceux qui avaient subi un traitement thermique pour éliminer les ligands.
« Le lavage à l'eau chaude a eu très peu d'effet sur la taille des particules, " dit Kiely, qui dirige le laboratoire de nanocaractérisation de Lehigh, « et tandis que les particules conservent leur morphologie cub-octaédrique, leurs surfaces semblent devenir plus nettement facettées. Cela est probablement dû à une certaine reconstruction de surface survenant après la perte d'une fraction importante des ligands PVA protecteurs. »
« Le chauffage des échantillons à 400 °C a également été efficace pour éliminer les ligands, mais la taille moyenne des particules est passée de 3,7 à 10,4 nm, ", dit Kiely. "Il y avait aussi une tendance pour les particules à se restructurer et à se développer plus plat, des interfaces plus étendues avec le support TiO2 sous-jacent.
Une micrographie prise par le microscope électronique à transmission à champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) de Lehigh montre une nanoparticule d'or sur un support de TiO2 après un lavage à l'eau chaude.
Pour l'oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, les catalyseurs préparés par ce lavage colloïdal/eau chaude présentaient plus du double de l'activité des catalyseurs or/TiO2 conventionnels. Cette réaction particulière est cruciale pour l'élimination du monoxyde de carbone des espaces clos tels que les sous-marins et les engins spatiaux, prolonger la durée de vie des piles à combustible, et prolonger la durée de vie utile d'un masque de pompier.
Ce travail a été financé en partie par la National Science Foundation. Tiruvalam est maintenant chercheur chez Haldor Topsoe, une entreprise de catalyseur à Copenhague, Danemark.
