Evidenziare l'effetto bimetallico delle nanoparticelle Au@Pd su nanostrutture di ossido di Ni con attività catalitica potenziata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3203 (2023) Citare questo articolo

741 accessi

1 Citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La decorazione bimetallica degli elettrodi semiconduttori in genere migliora le prestazioni catalitiche e di rilevamento grazie a un effetto sinergico ben affermato. Un'indagine microscopica e quantitativa di tale effetto sulle bande energetiche dei semiconduttori può essere davvero utile per un ulteriore sfruttamento. Le nanoparticelle Au, Pd e Au@Pd (core@shell) (di dimensioni 10-20 nm) sono state sintetizzate mediante il metodo di riduzione chimica e caratterizzate con microscopia a scansione e trasmissione, spettrometria di retrodiffusione di Rutherford, spettroscopia di impedenza elettrochimica con voltammetria ciclica e analisi Mott-Schottky. Le nanoparticelle sono state utilizzate per decorare elettrodi nanostrutturati a base di Ni con l'obiettivo di indagare quantitativamente l'effetto della decorazione con nanoparticelle mono o bimetalliche. Gli elettrodi decorati mostrano correnti redox più elevate rispetto a quelli nudi e uno spostamento dei picchi redox (fino a 0,3 V), che può essere attribuito a un trasporto di elettroni più efficiente e a proprietà catalitiche migliorate. Questi effetti sono stati modellizzati in modo soddisfacente (COMSOL) utilizzando una nano giunzione Schottky all'interfaccia nanoparticella-semiconduttore, evidenziando un'ampia curvatura della banda energetica (fino a 0,4 eV), una regione di carica spaziale e un campo elettrico locale (fino a \({10}^{ 8}\mathrm{ V }{\mathrm{m}}^{-1}\)) in decorazione bimetallica. Per consolidare il nostro modello sono stati eseguiti test di rilevamento del glucosio e dell'H2O2 mediante elettrodi di ossido di Ni decorati. La presenza di nanoparticelle bimetalliche migliora enormemente le prestazioni elettrochimiche del materiale in termini di sensibilità, attività catalitica e trasporto elettrico. La modifica del diagramma delle bande di energia nei semiconduttori viene analizzata e discussa anche in termini di trasferimento di elettroni durante reazioni redox.

Le nanoparticelle bimetalliche (NP) hanno suscitato enorme interesse negli ultimi dieci anni a causa delle loro interessanti proprietà fisiche e chimiche e delle loro applicazioni in molti campi della scienza dei materiali (catalisi, fotocatalisi, ottica, rilevamento e nanomedicina)1,2,3,4 ,5. Infatti, l'aggiunta/sostituzione di uno o più elementi chimici ad una superficie metallica aumenta le possibili geometrie di legame degli adsorbati superficiali e contemporaneamente modifica la struttura elettronica in superficie6. Generalmente, le NP bimetalliche possono essere classificate in base al loro modello di miscelazione (ordinamento chimico) e alla struttura geometrica. Si possono identificare due principali categorie di NP: core-shell (o core@shell) e NP bimetalliche nanocomposite, con una disposizione atomica ordinata nel primo caso e atomi misti casuali nel secondo2. Indipendentemente dall'ordinamento, si osserva un certo miglioramento delle prestazioni catalitiche e di rilevamento e generalmente viene spiegato deducendo un effetto sinergico7. In effetti, la maggior parte delle proprietà fondamentali delle NP non possono essere descritte come estrapolazione di proprietà di massa. Dal punto di vista teorico, le NP bimetalliche forniscono un banco di prova ideale per lo sviluppo di nuovi concetti e tecniche teoriche e presentano una serie di domande di interesse fondamentale8.

Numerose ricerche teoriche hanno studiato questo effetto sinergico sull'adsorbimento superficiale e sulle reazioni chimiche9,10,11,12,13,14. Quando un atomo di metallo estraneo viene aggiunto a un ospite metallico, si verifica un cambiamento chiave nella posizione e nel riempimento della banda D, causato dall'alterazione del legame locale per accogliere l'atomo estraneo. Il numero di elettroni d è tipicamente influenzato da questi cambiamenti e la sua variazione porta a un cambiamento nella reattività delle nanoparticelle bimetalliche15. Dal punto di vista sperimentale, l'effetto delle NP bimetalliche induce un sensibile incremento in termini di sensibilità16,17, attività catalitica11,14,18 e proprietà elettriche19,20. Tuttavia, la maggior parte degli studi sperimentali, oltre a misurare l'effetto bimetallico e invocare un effetto sinergico non specificato, tralasciano qualsiasi tentativo di caratterizzarlo e modellarlo al microscopio21. Una profonda comprensione della relazione tra risultato catalitico ed effetto sinergico nelle NP bimetalliche potrebbe aiutare a sviluppare sensori più efficienti a basso costo, attività potenziata ed elevata selettività21.