Le contrôle des formes de particules catalytiques et électrocatalytiques de taille nanométrique fabriquées à partir de métaux nobles tels que le platine et le palladium peut être plus compliqué qu'on ne le pensait auparavant.

À l'aide d'expériences systématiques, les chercheurs ont étudié comment la diffusion de surface - un processus dans lequel les atomes se déplacent d'un site à un autre sur des surfaces à l'échelle nanométrique - affecte la forme finale des particules. L'enjeu est important pour un large éventail d'applications qui utilisent des formes spécifiques pour optimiser l'activité et la sélectivité des nanoparticules, y compris les pots catalytiques, technologie des piles à combustible, catalyse chimique et plasmonique.

Les résultats de la recherche pourraient permettre de mieux comprendre comment gérer le processus de diffusion en contrôlant la température de réaction et la vitesse de dépôt, ou en introduisant des barrières structurelles conçues pour entraver le mouvement de surface des atomes.

"Nous voulons pouvoir concevoir la synthèse pour produire des nanoparticules avec la forme exacte que nous voulons pour chaque application spécifique, " a déclaré Younan Xia, professeur au département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory. "Fondamentalement, il est important de comprendre comment ces formes se forment, pour visualiser comment cela se produit sur des structures sur une échelle de longueur d'environ 100 atomes."

La recherche a été publiée le 8 avril dans la première édition en ligne de la revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). La recherche a été parrainée par la National Science Foundation (NSF).

Le contrôle de la forme des nanoparticules est important dans la catalyse et d'autres applications qui nécessitent l'utilisation de métaux nobles coûteux tels que le platine et le palladium. Par exemple, l'optimisation de la forme des nanoparticules de platine peut augmenter considérablement leur activité catalytique, réduire la demande pour le matériau précieux, a noté Xia, qui est un éminent chercheur de la Georgia Research Alliance (GRA) en nanomédecine. Xia occupe également des postes conjoints à l'École de chimie et de biochimie et à l'École de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech.

"Le contrôle de la forme est très important pour régler l'activité des catalyseurs et minimiser le chargement des catalyseurs, " dit-il. " Le contrôle de la forme est également très important dans les applications plasmoniques, où la forme contrôle l'emplacement des pics d'absorption optique et de diffusion. La forme est également importante pour déterminer où les charges électriques seront concentrées sur les nanoparticules."

Bien que l'importance de la forme des particules à l'échelle nanométrique soit bien connue, les chercheurs n'avaient pas encore compris l'importance de la diffusion de surface dans la création de la forme finale des particules. Ajout d'atomes aux coins des cubes de platine, par exemple, peut créer des particules avec des "bras" saillants qui augmentent l'activité catalytique. Les surfaces convexes sur les particules cubiques peuvent également fournir de meilleures performances. Mais ces formes avantageuses doivent être créées et maintenues.

Les préférences énergétiques naturelles liées à la disposition des atomes sur les minuscules structures favorisent une forme sphérique qui n'est pas idéale pour la plupart des catalyseurs, piles à combustible et autres applications.

Dans leurs recherches, Xia et ses collaborateurs ont fait varier la température du processus utilisé pour déposer des atomes sur des nanocristaux métalliques qui agissaient comme des graines pour les nanoparticules. Ils ont également fait varier les vitesses auxquelles les atomes se sont déposés sur les surfaces, qui ont été déterminés par la vitesse d'injection à laquelle un matériau précurseur chimique a été introduit. La vitesse de diffusion est déterminée par la température, avec des températures plus élevées permettant aux atomes de se déplacer plus rapidement sur les surfaces des nanoparticules. Dans la recherche, des ions bromure ont été utilisés pour limiter le mouvement des atomes ajoutés d'une partie de la particule à une autre.

En utilisant la microscopie électronique à transmission, les chercheurs ont observé les structures qui se sont formées dans différentes conditions. Finalement, ils ont découvert que le rapport entre la vitesse de dépôt et la vitesse de diffusion détermine la forme finale. Lorsque le rapport est supérieur à un, les atomes adsorbés ont tendance à rester là où ils sont placés. Si le rapport est inférieur à un, ils ont tendance à bouger.

"A moins que la réaction atomique ne soit au zéro absolu, vous aurez toujours de la diffusion, " dit Xia, qui détient la chaire de la famille Brock au Département de génie biomédical. "Mais si vous pouvez ajouter des atomes à la surface aux endroits que vous voulez, plus rapidement qu'ils ne peuvent se diffuser, vous pouvez contrôler la destination finale des atomes."

Xia pense que la recherche peut également conduire à des techniques améliorées pour préserver les formes uniques des nanoparticules, même à des températures de fonctionnement élevées.

"Fondamentalement, il est très utile pour les gens de savoir comment ces formes sont formées, " dit-il. " La plupart de ces structures avaient été observées auparavant, mais les gens ne comprenaient pas pourquoi ils se formaient dans certaines conditions. Pour faire ça, nous devons être capables de visualiser ce qui se passe sur ces minuscules structures."

L'équipe de recherche de Xia a également étudié l'impact de la diffusion sur les particules bimétalliques composées à la fois de palladium et de platine. La combinaison peut améliorer certaines propriétés, et parce que le palladium est actuellement moins cher que le platine, l'utilisation d'un noyau de palladium recouvert d'une fine couche de platine permet d'obtenir l'activité catalytique du platine tout en réduisant les coûts.

Dans ce cas, la diffusion de surface peut être utile pour recouvrir la surface du palladium d'une seule monocouche de platine. Seuls les atomes de platine en surface pourront apporter les propriétés catalytiques, tandis que le noyau de palladium ne sert que de support.

La recherche fait partie d'une étude à long terme des nanoparticules catalytiques menée par le groupe de recherche de Xia. D'autres aspects du travail de l'équipe portent sur les utilisations biomédicales des nanoparticules dans des domaines tels que le traitement du cancer.

"Nous sommes très excités par ce résultat car il est générique et peut s'appliquer pour comprendre et contrôler la diffusion sur les surfaces de nombreux systèmes, " a ajouté Xia. " En fin de compte, nous voulons voir comment nous pouvons tirer parti de cette diffusion pour améliorer les propriétés catalytiques et optiques de ces nanoparticules. "