Jak nanočástice přicházejí o elektrony
Výzkumníci evropského projektu chipCAT kvantifikují bilanci náboje v platinových nanočásticích
Ať jde o děje na katalyzátorech v chemickém průmyslu, v recyklaci, na nových typech solárních článků nebo elektronických součástek, nanočástice najdeme ve všech moderních a šetrných výrobních technologiích, protože jejich jedinečné vlastnosti šetří výrobní energii a zdroje. Tyto jejich zvláštní vlastnosti často mají svůj původ v chemické interakci s podkladem/matricí, která nanočástice nese. Může jít i o změny elektronických vlastností materiálů nanočástic v důsledku samovolného přenosu náboje mezi nanočásticemi a podkladem. Skupiny výzkumníků z Univerzity Friedricha Alexandera v Erlangenu a Norimberku (FAU) a z Barcelonské Univerziry (UBCN) dokázali experimentálně spočítat elementární náboje, jež platinové nanočástice předávají matrici z oxidu ceričitého. Jejich práce je součástí evropského projektu chipCAT koordinovaného profesorem Vladimírem Matolínem, který je zároveň ředitelem české laboratoře vložené do infrastruktury CERIC-ERIC, a přibližuje nás o další velký krok využití nanočástic „šitých na míru“.
Pro vědce zkoumající nanosvět je jednou z hlavních diskutovaných otázek, jak vlastně nanočástice interagují s matricemi, které je nesou? Na kolik jsou pozorované vlastnosti nanočástic jejich vlastní, nakolik jsou výsledkem té interakce? Nyní již víme, že se vlastnosti odvíjejí od řady fyzikálních a chemických faktorů: elektronové struktury, atomárního uspořádání a – zcela zásadně – od interakce mezi nanočásticí a nosičem. Ačkoli byly tyto interakce (včetně přenosu náboje) už nějakou dobu sledovány a zkoumány, nástroj kvantifikující, jak velký elektrický náboj si nanočástice s podložkou vyměňují a nakolik tento náboj odvisí od velikosti nanočástice dosud chyběl.
Pro tato měření připravil tým výzkumníků z Německa, Španělska, Itálie a České Republiky pod vedením prof. Jörga Libudy a prof. Konstantina Neymana extrémně čistý, velmi rovný povrch oxidu ceričitého, na nějž umístili platinové nanočástice. S pomocí vysoce citlivé metody optické dráhy pro materiálové vědy (MSB) na synchrotronu Elettra dostupné prostřednictvím první open-access výzvy infrastruktury CERIC-ERIC se týmu podařilo přenos náboje vůbec poprvé kvantifikovat. Při sledování nanočástic čítajících od několika po několik set atomů platiny počítali elektrony, které přešly do podkladu. Ukázalo se, že je jev nejvýraznější u malých nanočástic o přibližně 50 atomech. Efekt je překvapivě výrazný: přibližně jeden elektron na každých deset atomů přechází do oxidové podložky. Tato práce využila kombinaci měření na několika zařízeních včetně měřícího času na mikroskopických a spektroskopických zařízeních SPL-MSB uděleného skrze CERIC-ERIC. Výzkumníci zapojili také teoretické výpočetní metody, které ukázaly, jak je možné získat efekt pod kontrolu, aby výsledné chemické vlastnosti bylo možné přizpůsobit cílovým aplikacím. Vzácné suroviny i energie tak budou moci být efektivněji využívané například v katalytických procesech v chemickém průmyslu.
Projekt byl částečně financovaný projektem 7.RP EU (č. 310191) a excelentním klastrem ‚Inženýrsví pokročilých materiálů‘ (EAM) univerzity v Erlangenu (FAU).
*DOI: 10.1038/nmat4500 (Nature Materials)
Ilustrace:
Výzkumníci poprvé vyzkoumali, v jaké míře si nanočástice vyměňují náboj s podložkou. Grafika: Sergey Kozlov a Oriol Lamiel.
Další informace poskytne
prof. Dr. Jörg Libuda
tel: +49 9131 8527308