catalizzatori, spesso nanoparticelle metalliche, sono coinvolti nella produzione di oltre l'80% dei prodotti commerciali come plastica, combustibili e prodotti farmaceutici. I metodi computazionali aiutano nella progettazione di catalizzatori di nanoparticelle costituiti da miscele di metalli, chiamate nanoparticelle legate, con elevata attività di reazione e selettività. Però, la produzione di nanoparticelle legate con composizione arbitraria in laboratorio non esistono ancora. Infatti, la chimica fondamentale della sintesi delle nanoparticelle legate rimane un enigma.

A quello scopo, un gruppo di ricerca dell'Università del Maryland (UMD) guidato da Taylor Woehl, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare (ChBE), ha applicato un nuovo metodo, la sintesi in microscopia elettronica a trasmissione in fase liquida (LP-TEM) in situ, che consente di osservare più da vicino i processi molecolari e su scala nanometrica che regolano il modo in cui i metalli si mescolano in nanoparticelle legate durante la sintesi chimica umida. Mei Wang, un Ph.D. ChBE Alunno, è stato il primo autore dello studio, pubblicato in ACS Nano .

"Abbiamo osservato la formazione di nanoparticelle fatte di oro e rame, catalizzatori promettenti per la conversione della CO ₂ in preziose molecole organiche, in tempo reale su scala nanometrica, " Wang ha detto. "Con questo metodo, la sintesi delle nanoparticelle è ottenuta irradiando un precursore liquido con elettroni ad alta energia per simulare le condizioni della chimica umida. Abbiamo trovato condizioni di sintesi elettronica che imitavano da vicino la sintesi chimica umida, il che è stato sorprendente dato che la dose di radiazioni che il campione riceve è molte volte maggiore rispetto a quella di un reattore nucleare commerciale".

Scoprendo queste condizioni, gli autori hanno assicurato che ciò che hanno visto con LP-TEM era rappresentativo di ciò che accade durante la sintesi chimica umida sul banco. Le simulazioni di reazione hanno mostrato che i ligandi organici nella soluzione, normalmente utilizzato per controllare la dimensione e la stabilità delle nanoparticelle, proteggere la soluzione di reazione dal danneggiamento degli elettroni ad alta energia.

Un'osservazione chiave nello studio è stata che la presenza di un ligando organico era fondamentale per combinare oro e rame in nanoparticelle in lega ben miscelate.

"Abbiamo scoperto che il ligando ha consentito la formazione della lega legandosi covalentemente all'oro e al rame per formare ioni complessi, " ha affermato Woehl. L'imaging a risoluzione atomica e la spettrometria di massa hanno mostrato che gli ioni complessi sono stati convertiti in specie intermedie nella reazione di sintesi, chiamati cluster di prenucleazione. Abbiamo trovato questi cluster, ciascuno costituito da pochi atomi di oro e rame, erano fondamentali per formare una lega."

Le specie intermedie sono state poi assemblate insieme in nanocristalli con una composizione simile. Questo percorso di formazione dei nanocristalli è distinto dall'immagine classica di singoli atomi che si aggregano in una nanoparticella.

Gli autori hanno scoperto che i ligandi organici svolgono un importante ruolo secondario nell'incoraggiare la formazione di cluster di prenucleazione contenenti atomi sia di oro che di rame. Questi risultati suggeriscono che il controllo sugli intermedi di cluster metallici è la chiave per la sintesi di catalizzatori di nanoparticelle in lega.