Catalyseurs, souvent des nanoparticules métalliques, sont impliqués dans la production de plus de 80% des produits commerciaux tels que les plastiques, carburants et produits pharmaceutiques. Les méthodes informatiques aident à concevoir des catalyseurs à nanoparticules constitués de mélanges de métaux, appelées nanoparticules alliées, avec une activité réactionnelle et une sélectivité élevées. Cependant, produire des nanoparticules alliées avec une composition arbitraire en laboratoire n'existe pas encore. En effet, la chimie fondamentale de la synthèse des nanoparticules alliées reste une énigme.

À cette fin, une équipe de recherche de l'Université du Maryland (UMD) dirigée par Taylor Woehl, professeur adjoint au Département de génie chimique et biomoléculaire (ChBE), appliqué une nouvelle méthode - la synthèse in situ par microscopie électronique à transmission en phase liquide (LP-TEM) - permettant d'examiner de plus près les processus moléculaires et nanométriques qui régissent la façon dont les métaux se mélangent en nanoparticules alliées lors de la synthèse chimique humide. Mei Wang, un doctorat ChBE. Étudiant, a été le premier auteur de l'étude, Publié dans ACS Nano .

"Nous avons observé la formation de nanoparticules d'or et de cuivre, des catalyseurs prometteurs pour la conversion du CO 2 en molécules organiques précieuses, en temps réel à l'échelle du nanomètre, " dit Wang. " Avec cette méthode, la synthèse de nanoparticules est réalisée en irradiant un précurseur liquide avec des électrons de haute énergie pour simuler les conditions de la chimie humide. Nous avons trouvé des conditions de synthèse électronique qui imitaient étroitement la synthèse chimique humide, ce qui était surprenant étant donné que la dose de rayonnement reçue par l'échantillon est plusieurs fois supérieure à celle d'un réacteur nucléaire commercial."

En découvrant ces conditions, les auteurs se sont assurés que ce qu'ils ont vu avec le LP-TEM était représentatif de ce qui se passe lors de la synthèse chimique humide sur la paillasse. Des simulations de réaction ont montré que les ligands organiques dans la solution, normalement utilisé pour contrôler la taille et la stabilité des nanoparticules, protéger la solution de réaction d'être endommagé par les électrons de haute énergie.

Une observation clé de l'étude était que la présence d'un ligand organique était essentielle pour combiner l'or et le cuivre en nanoparticules alliées bien mélangées.

"Nous avons découvert que le ligand permettait la formation d'alliages en se liant de manière covalente à l'or et au cuivre pour former des ions complexes, " a déclaré Woehl. L'imagerie à résolution atomique et la spectrométrie de masse ont montré que les ions complexes étaient convertis en espèces intermédiaires dans la réaction de synthèse, appelés amas de prénucléation. Nous avons trouvé ces grappes, chacun constitué de quelques atomes d'or et de cuivre, étaient essentiels à la formation d'un alliage."

Les espèces intermédiaires se sont ensuite assemblées en nanocristaux de composition similaire. Cette voie de formation de nanocristaux est distincte de l'image classique d'atomes uniques se rassemblant dans une nanoparticule.

Les auteurs ont découvert que les ligands organiques jouent un rôle secondaire important en encourageant la formation d'amas de prénucléation contenant à la fois des atomes d'or et de cuivre. Ces résultats suggèrent que le contrôle des intermédiaires de cluster métallique est la clé de la synthèse de catalyseurs à nanoparticules alliées.