Un diagramma schematico mostra una nanoparticella d'oro stabilizzata con ligandi di alcol polivinilico (PVA).
Nanoparticelle d'oro, dice Chris Kiely, stanno rapidamente diventando alcuni dei diplomatici più efficaci del nanomondo.
Facilitano un'ampia gamma di reazioni chimiche tra molecole che normalmente non interagirebbero o lo farebbero solo a temperature molto più elevate.
E nella maggior parte dei casi, effettuano un unico esito favorevole con pochi, se del caso, reazioni collaterali indesiderate.
In breve, dice Kiely, professore di scienze e ingegneria dei materiali, le nanoparticelle sono catalizzatori estremamente buoni.
Metodi convenzionali di preparazione di nanoparticelle d'oro, però, alterare la morfologia e l'attività catalitica delle particelle.
Ora, un team internazionale di ricercatori ha sviluppato una procedura che migliora l'esposizione superficiale delle nanoparticelle d'oro e la loro attività catalitica in una serie di reazioni.
Una nuova procedura migliora la convenzione
Il team ha riportato i suoi risultati a luglio in Chimica della natura in un articolo intitolato "Facile rimozione di ligandi stabilizzanti da nanoparticelle d'oro supportate".
I suoi membri includono Kiely e Graham Hutchings, un chimico all'Università di Cardiff in Galles nel Regno Unito, che hanno studiato nanogold insieme per più di un decennio.
“Nell'industria, "dice Kiely, “il modo più comune per preparare nanocatalizzatori d'oro è quello di impregnare prima un supporto di ossido nanocristallino, come l'ossido di titanio (TiO2) con acido cloroaurico. Una reazione di riduzione converte quindi l'acido in nanoparticelle metalliche.
“Purtroppo, questo porta alla dispersione di una varietà di specie d'oro sul supporto, come atomi d'oro isolati, cluster mono e bi-strato, oltre a nanoparticelle di varie dimensioni”.
Una tecnica alternativa che consente un controllo più preciso sulla dimensione e sulla struttura delle particelle, consiste nel preformare le nanoparticelle d'oro in una soluzione colloidale prima di depositarle sul supporto.
Lo svantaggio di questo metodo è che durante la fabbricazione le nanoparticelle sono rivestite con molecole organiche - ligandi - che impediscono loro di aggregarsi. Una volta depositati su un supporto, questi ligandi tendono a compromettere le prestazioni catalitiche della nanoparticella bloccando l'approccio delle molecole ai siti attivi sulla superficie del metallo.
Una forma più lieve di rimozione del ligando
I metodi precedenti per rimuovere questi ligandi prevedevano trattamenti termici fino a 400 gradi C.
“A queste temperature la morfologia delle nanoparticelle cambia e iniziano a fondersi, "dice Kiely. "C'è anche una significativa diminuzione della loro attività catalitica".
Il team di Kiely-Hutchings ha sviluppato un'alternativa più blanda per rimuovere i ligandi dalle nanoparticelle di oro stabilizzate con alcol polivinilico depositate su un supporto di ossido di titanio:un semplice lavaggio con acqua calda.
Lo studente laureato Ramchandra Tiruvalam ha utilizzato il microscopio elettronico a trasmissione JEOL 2200 FS corretto per l'aberrazione di Lehigh per esaminare i catalizzatori prima e dopo il lavaggio e per confrontarli con quelli che erano stati sottoposti a trattamento termico per rimuovere i ligandi.
“Il lavaggio con acqua calda ha avuto un effetto molto limitato sulla dimensione delle particelle, "dice Kiely, che dirige il Laboratorio di nanocaratterizzazione di Lehigh, “e mentre le particelle mantengono la loro morfologia cub-ottaedrica, le loro superfici sembrano diventare più distintamente sfaccettate. Ciò è presumibilmente dovuto ad alcune ricostruzioni superficiali che si verificano dopo aver perso una frazione significativa dei ligandi protettivi del PVA”.
“Anche il riscaldamento dei campioni a 400 gradi C è stato efficace nel rimuovere i ligandi, ma la dimensione media delle particelle è aumentata da 3,7 a 10,4 nm, "dice Kiely. “C'era anche la tendenza per le particelle a ristrutturarsi e a svilupparsi più piatte, interfacce più estese con il supporto di TiO2 sottostante.”
Una micrografia scattata dal microscopio elettronico a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF) di Lehigh mostra una nanoparticella d'oro su un supporto di TiO2 dopo un lavaggio con acqua calda.
Per l'ossidazione del monossido di carbonio in anidride carbonica, i catalizzatori preparati da questo lavaggio colloidale/acqua calda hanno mostrato più del doppio dell'attività dei catalizzatori convenzionali oro/TiO2. Questa particolare reazione è cruciale per la rimozione del monossido di carbonio da spazi chiusi come sottomarini e navicelle spaziali, prolungare la vita delle celle a combustibile, ed estendendo la durata utile della maschera di un vigile del fuoco.
Questo lavoro è stato finanziato in parte dalla National Science Foundation. Tiruvalam è ora un ricercatore con Haldor Topsoe, una società catalizzatrice a Copenaghen, Danimarca.
