Un meccanismo di formazione di biossido di cerio nanocristallino (CeO2), un nanomateriale versatile, è stato svelato dagli scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell'Università del New South Wales a Sydney, Australia. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Chimica:una rivista europea . Questa scoperta potenzialmente semplifica e allevia i processi sintetici esistenti di produzione di CeO2 nanocristallino.

Le particelle nanocristalline di CeO2 sono ampiamente utilizzate, Per esempio, in catalizzatori per il trattamento di gas pericolosi, negli elettrodi per celle a combustibile ad ossido solido, in materiali di lucidatura per circuiti integrati avanzati, nei cosmetici per la protezione solare, e in applicazioni mediche come la superossido dismutasi artificiale. Le attuali sintesi industriali di CeO2 nanocristallino si basano su processi sol-gel seguiti da trattamento termico e/o aggiunta di reagenti acceleranti. Qualsiasi ulteriore miglioramento della strategia sintetica per i nanocristalli di CeO2 richiede una migliore comprensione dei meccanismi coinvolti nella loro formazione su scala atomica.

Dr. Atsushi Ikeda-Ohno dell'Università del New South Wales, Australia, insieme al Dr. Christoph Hennig dell'HZDR hanno optato per un sofisticato approccio multispettroscopico che combina la diffusione dinamica della luce e le tecniche a raggi X basate sul sincrotrone. Queste complesse indagini hanno comportato l'uso di due strutture di sincrotrone leader a livello mondiale dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble, Francia, e primavera-8 a Hyogo, Giappone.

Monitoraggio dal vivo

Per la prima volta in assoluto, gli scienziati sono stati in grado di eseguire un'osservazione in situ dell'evoluzione dei nanocristalli. Finora, poco si sa del meccanismo di formazione dei nanocristalli metallici; principalmente perché mancavano tecniche analitiche appropriate. Le tecniche più utilizzate per la ricerca sui nanocristalli metallici sono la microscopia elettronica e la diffrazione dei raggi X. Sono abbastanza potenti da visualizzare l'aspetto dei nanocristalli e acquisire le loro informazioni sul reticolo, ma non sono applicabili allo stato di soluzione in cui si verifica l'evoluzione dei nanocristalli metallici. "Per sondare la formazione di CeO2 nanocristallino in una soluzione acquosa, abbiamo combinato diverse tecniche spettroscopiche, compresa la diffusione dinamica della luce, spettroscopia di assorbimento di raggi X di sincrotrone, e diffusione di raggi X ad alta energia, " dice il dottor Atsushi Ikeda-Ohno.

Le informazioni ottenute dai ricercatori sono fondamentali per semplificare e alleviare il processo di sintesi dei nanocristalli di CeO2. Hanno rivelato che le nanoparticelle di CeO2 di dimensioni uniformi possono essere prodotte semplicemente regolando il pH del cerio tetravalente (Ce(IV)) in una soluzione acquosa senza successivo trattamento fisico/chimico come il riscaldamento o l'aggiunta di sostanze chimiche acceleranti. I cristalli di CeO2 prodotti hanno una dimensione delle particelle uniforme di 2 - 3 nanometri, indipendentemente dalle condizioni di preparazione (es. pH e tipo di regolazione del pH). Questa dimensione delle particelle è esattamente nella gamma che è interessante per le applicazioni industriali. Una scoperta chiave è che le specie in soluzione di Ce(IV) mononucleari non danno luogo a cristalli di CeO2 di dimensioni nanometriche. Il prerequisito è la presenza di specie oligomeriche in soluzione di Ce(IV), come dimeri o trimeri.

"Siamo davvero molto lieti che il nostro approccio multispettroscopico sia applicabile anche a qualsiasi altra ricerca sui nanocristalli metallici. Ecco perché questo studio contribuisce a un'area di ricerca emergente sui nanocristalli metallici in un contesto più ampio, " afferma il Dr. Christoph Hennig. "E la stazione di misurazione dell'HZDR presso l'ESRF offre le migliori opportunità possibili per questa area di ricerca dei nanocristalli metallici che contribuisce direttamente alle applicazioni industriali".