Sintesi al plasma a scintilla continua di nanoparticelle binarie Au/Co con proprietà sintonizzabili

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18560 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo qui una tecnica in fase gassosa scalabile ed ecologica che impiega plasmi a scarica di scintilla elettrica a pressione atmosferica per la produzione di binari Au/Co, un efficace sistema catalitico per la decomposizione di composti ricchi di idrogeno, come il borano di ammonio. Dimostriamo che le nanoparticelle di lega Au/Co possono essere prodotte tramite la tecnica basata sul plasma a scintilla. La possibilità di variare la morfologia e la struttura della fase tramite trattamento termico in tempo reale dell'aerosol generato per formare particelle Au/Co/CoO con controllo continuo su un ampio intervallo compositivo delle particelle (da 24 a 64 at.% [Co]/([Co ] + [Au]) contenuto) viene anche dimostrato. Poiché il nostro approccio basato su scintille ha dimostrato di essere in grado di fornire rese di particelle ragionevoli, questi risultati potrebbero contribuire alla transizione dei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno su scala di laboratorio e basati su nanocatalizzatori verso applicazioni nel mondo reale.

Le nanoparticelle binarie (BNP) attirano un notevole interesse grazie alle loro prestazioni magnetiche, ottiche o catalitiche migliorate in molti campi, sia in leghe1,2 che in forme segregate in fase3,4. Nel caso della catalisi, un esempio importante è il sistema Au/Co, che è un candidato adatto per generare idrogeno dal borano di ammoniaca (amminetriidridoboro), un promettente materiale combustibile in fase condensata per motori alimentati a idrogeno5,6,7,8,9 . Le NP binarie Au/Co (BNP) vengono solitamente sintetizzate tramite metodi chimici, ad esempio mediante la riduzione simultanea dei precursori di Au e Co8,10,11,12 o impiegando NP di cobalto13,14 o oro15 come semi. Queste tecniche possono produrre BNP core-shell Au@Co8,15 o Co@Au13 nonché nanoleghe Au/Co11,12 a seconda delle condizioni sperimentali. I metodi chimici utilizzano intrinsecamente vari solventi e reagenti in processi multifase solitamente piuttosto complessi, in cui il controllo delle dimensioni e della composizione dei BNP Au/Co sintetizzati è impegnativo, il che rappresenta un fattore limitante per lo studio delle loro applicazioni. Un controllo molto migliore dei BNP Au/Co può essere ottenuto tramite metodi in fase gassosa, in cui la formazione delle particelle è facilitata dalla condensazione e dall'aggregazione di atomi e ioni metallici in un ambiente gassoso o evacuato16,17. Mayoral et al. hanno dimostrato che sia i BNP core-shell Au@Co che Co@Au con dimensioni e composizione controllate possono essere generati mediante il metodo di condensazione del gas inerte, utilizzando un vapore metallico sovrasaturo formato dallo sputtering di un target sfuso17,18. Llamosa et al. hanno dimostrato che la personalizzazione dei BNP Au/Co può essere ottenuta utilizzando più sorgenti di cluster ionici per produrre strutture core-shell o core-shell-shell ben definite nel vuoto ultraelevato16. Questi approcci offrono un ampio controllo sul processo di formazione delle particelle, tuttavia richiedono una strumentazione sofisticata e/o un ambiente ad alto vuoto, il che rende la loro scalabilità a livello industriale e quindi la loro applicazione nella vita reale molto impegnativa. Un altro metodo fisico, in fase gassosa, che ha un grande potenziale sia in termini di versatilità che di scalabilità è l’ablazione con scintilla19. Si basa su un'idea tecnicamente semplice, vale a dire l'erosione di due elettrodi conduttori mediante scintille oscillatorie e ripetitive ad alta tensione e alta corrente, della durata di microsecondi20. Analogamente alle tecniche in fase gassose menzionate sopra, il processo comprende solo elettrodi bulk di elevata purezza e un ambiente gassoso controllato, quindi è possibile ottenere NP eccezionalmente pure21. Inoltre, l'ablazione con scintilla non richiede un sistema di vuoto e anche la sua implementazione elettrica è semplice, il che facilita la generazione scalabile di particelle22,23. Inoltre, grazie alla capacità di erodere periodicamente due elettrodi sfusi con composizioni diverse, l'ablazione con scintilla ha il massimo potenziale nel campo della sintesi NP multielemento con composizione e struttura controllabili24,25,26,27. Nel presente articolo riportiamo la sintesi e la caratterizzazione basata sull'ablazione di scintille di Au/Co BNP. Dimostriamo anche la possibilità di regolare la composizione dei BNP Au/Co su un ampio intervallo, insieme alla variazione della morfologia delle particelle. Riteniamo che i nostri risultati facilitino lo sviluppo di metodologie per produrre nanocatalizzatori Au/Co adatti sia in termini di qualità che di quantità a varie sfide della vita reale, come quelle relative ai sistemi di stoccaggio dell’idrogeno.