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Las nanopartículas de oro-paladio (Au-Pd) se utilizan como nanocatalizadores en diversas aplicaciones industriales. Sin embargo, la adsorción de diferentes gases puede causar cambios sutiles en la composición de los nanocatalizadores que afectan sus propiedades químicas. El desarrollo de un método novedoso para analizar estos cambios estructurales en nanopartículas de Au-Pd es crucial para mejorar su rendimiento catalítico.
Estudio: el análisis STEM a escala atómica revela cambios estructurales de nanopartículas de Au-Pd en diferentes entornos gaseosos. Crédito de la foto: photobank.kiev.ua/Shutterstock.com
Un reciente estudio publicado en el Journal of Physical Chemistry C se centra en este tema proponiendo una novela en el sitio Microscopía electrónica de transmisión de barrido (en el sitio STEM) para estudiar los cambios de composición y morfología de las nanopartículas de Au-Pd en diferentes entornos gaseosos.
Nanopartículas de oro-paladio (Au-Pd)
El paladio (Pd) es un catalizador eficaz para una variedad de procesos que incluyen la oxidación del monóxido de carbono (CO), la reducción del óxido nitroso (NO) y la hidrogenación de alquino-alqueno. Aunque el paladio es un elemento metálico caro con muy baja selectividad, sus propiedades químicas y su selectividad pueden modificarse combinándolo con otros complejos metálicos.
La funcionalización de paladio (Pd) con oro (Au) es un compuesto tan barato. El paladio a menudo se diluye con oro para mejorar la utilización del paladio y las propiedades catalíticas. Por ejemplo, las nanopartículas de oro-paladio (Au-Pd) superan a sus equivalentes monometálicos en la hidrogenación de butadieno.
En otras circunstancias, estas nanopartículas se han utilizado en reacciones de intercambio de hidrógeno donde la fase de aleación produce altos niveles de actividad.
Investigaciones recientes también se han centrado en las capacidades electrocatalíticas de las nanopartículas de Au-Pd para convertir el dióxido de carbono (CO2) a una mezcla de hidrocarburos. Esta reactividad es causada por la interacción superficial del monóxido de carbono adsorbido con los hidrocarburos intermedios, lo que da como resultado hidrocarburos más largos.
Limitaciones en el análisis de estructura de nanopartículas de Au-Pd
Los ejemplos anteriores muestran cómo se pueden usar nanopartículas de Au-Pd en reacciones catalíticas. Aunque las nanopartículas de Au-Pd pueden optimizar las propiedades catalíticas del paladio al dispersar adecuadamente los átomos de paladio en la superficie, esta técnica no se ha explorado de manera significativa.
Además, la eficiencia catalítica de las nanopartículas de Au-Pd está fuertemente influenciada por la morfología de las partículas. La composición, el estado de oxidación y la forma son criterios importantes a tener en cuenta al optimizar la actividad catalítica. En particular, la microestructura de la superficie y la configuración de las facetas tienen un impacto significativo en las capacidades catalíticas.
Las nanopartículas de oro puro se han estudiado ampliamente en el sitio Técnicas STEM que revelan cambios en las direcciones de las facetas y abrasión superficial cuando se exponen a ambientes gaseosos a altas temperaturas. Sin embargo, relativamente pocos en el sitio Los estudios STEM se realizaron en sistemas Au-Pd.
El efecto de la incorporación de paladio en un cristal de oro no se conoce bien, particularmente cuando se usan diferentes gases y temperaturas. Además, la influencia de la oxidación del paladio en nanopartículas de Au-Pd está mal caracterizada, aunque puede ser crucial para los cambios morfológicos de estas nanopartículas.
Un nuevo análisis STEM in situ de nanopartículas de Au-Pd
El cambio en la morfología de la superficie, como B. La remodelación de facetas puede afectar la eficiencia de desorción y adsorción de las nanopartículas de Au-Pd y, por lo tanto, sus capacidades catalíticas. Además, el movimiento de los átomos de Pd y Au dentro de las nanopartículas puede disminuir la eficiencia y la especificidad catalíticas en entornos de reacción catalítica.
Para responder a estas preguntas, los investigadores de este estudio realizaron un en el sitio Estudio STEM de partículas discretas de Au-Pd en diferentes ambientes gaseosos como oxígeno, hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono a diferentes temperaturas. Se descubrió que la muestra de nanopartículas de Au-Pd así preparada tenía una arquitectura de núcleo-corteza con una capa rica en paladio en la superficie.
Los resultados observados experimentalmente se combinaron con las estimaciones de energía superficial de la teoría funcional de la densidad (DFT) para comprender la preferencia termodinámica subyacente por los cambios estructurales en las nanopartículas prístinas de Pd y Au-Pd.
Resultados importantes de la investigación.
Los investigadores encontraron áreas más nítidas en la superficie de las nanopartículas de Au-Pd expuestas al oxígeno o al aire a 400 grados centígrados. Se encontraron islas más pequeñas de paladio en la superficie, aunque algunos átomos se reorganizaron dentro de la masa a medida que aumentaba la temperatura en presencia de oxígeno.
Se observaron sutiles variaciones en la rugosidad de la superficie cuando se reemplazó el oxígeno por hidrógeno a 400 °C, lo que se correlaciona con los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT). Cuando se insufló monóxido de carbono a temperatura ambiente y 200 grados centígrados, las partículas perdieron su pureza superficial. La adsorción de moléculas de monóxido de carbono en la superficie de una partícula alteró el área superficial y redujo el predominio de las facetas en las nanopartículas de Au-Pd.
Este en el sitio Los resultados de STEM muestran cómo diferentes gases pueden inducir cambios superficiales diminutos en los nanocatalizadores de Au-Pd, lo que afecta significativamente su rendimiento catalítico.
Relación
Foucher, AC et al. (2022). El análisis STEM atómico revela cambios estructurales de nanopartículas de Au-Pd en diferentes entornos gaseosos. El Diario de Química Física C. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c05929
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