Ученые предложили способ синтеза сложных наночастиц, состоящих из восьми различных металлов, которые при этом смешиваются друг с другом, равномерно распределяясь по объему частицы. В основе предложенного подхода лежит метод теплового шока, при котором раствор солей нужных металлов на очень короткое время нагревается до двух тысяч градусов Цельсия, а потом — резко охлаждается обратно, пишут ученые в Science.

Для электронных наноустройств или катализа часто требуются наночастицы, которые содержат в себе сразу несколько различных металлов. При этом в зависимости от способа их использования у них должна быть определенная структура: или металлы должны располагаться в частице слоями, или в виде отдельных фаз, или быть равномерно перемешаны по частице. При этом, поскольку металлические сплавы и твердые растворы часто образуются лишь при определенном соотношении между элементами, а в наночастицах часто содержится только несколько тысяч атомов, контролировать фазовый состав, структуру частиц, а также следить за однородностью распределения элементов довольно сложно.

Чтобы синтезировать наночастицы, состоящие из равномерно распределенных по объему нескольких металлов, американские ученые под руководством Лянбина Ху (Liangbing Hu) из Мэриленского университета в Колледж-Парке предложили использовать метод теплового шока. Для этого смесь растворов солей всех нужных металлов помещалась на специальную подложку, состоящую из отдельных углеродных нановолокон. После этого подложка очень быстро (со скоростью 100 тысяч градусов Цельсия в секунду) нагревалась до двух тысяч градусов и сразу же с такой же скоростью охлаждалась обратно, так что суммарное время, в течение которого раствор был подвержен высокой температуре, составляло всего 55 миллисекунд. Капельки раствора на углеродных волокнах, во время нагрева быстро испарялись, образуя однородные металлические наночастицы, в которых все металлы были равномерно распределены по их объему.

Микрофотографии волокон углеродной подложки до и после температурной обработки. Y. Yao et al./ Science, 2018

Двумя важными условиями синтеза были возможность смешивания металлов друг с другом с образованием твердых растворов и использование таки изначальных солей, которые при нагреве образуют только металл, а все остальные компоненты при этом оказываются в газовой фазе. В качестве таких металлов ученые использовали, например, платину, палладий, кобальт, никель, железо, медь, золото, олово и иридий, и в результате синтеза из них удалось успешно синтезировать частицы, содержащие в своем составе от одного восьми металлов.

В левом верхнем углу схематически изображены два возможных типа наночастиц: многофазная и в виде однородного твердого раствора. На фотографиях представлены элементные карты наночастиц, полученных из разного количества металлов — от одного до семи. Y. Yao et al./ Science, 2018

Микрофотографии наночастиц, полученных с помощью предложенного способа сразу из восьми различных металлов. Карта распределения по частице каждого из металлов обозначена своим цветом. Справа приведена фотография атомной структуры отдельной частицы. Y. Yao et al./ Science, 2018

Изменяя параметры нагрева: температуру, длительность воздействия, скорость нагревания и охлаждения — ученые могли варьировать состав и размер образующихся частиц, а также однородность их распределения. Например, если охлаждение проводить со скоростью 100 тысяч градусов в секунду, то образуется частица из однородного твердого раствора нескольких металлов, а если за секунду уменьшать температуру только на 10 градусов, то формируется многофазная частица и разные металлы оказываются в различных областях частицы.

Наночастицы из золота и никеля, полученные при разных скоростях охлаждения: слева — полученная быстрым охлаждением однородные наночастицы, справа — синтезированные при медленном охлаждении многофазные частицы. Y. Yao et al./ Science, 2018

Авторы работы отмечают, что несмотря на простоту предложенного метода, раньше для получения наночастиц его использовать не пытались. Чтобы доказать применимость метода для получения действительно полезных функциональных наночастиц, ученые синтезировали таким образом нанокатализатор, состоящий из сплава платины, рутения, родия и церия. С помощью этого катализатора удалось провести реакцию окисления аммиака до оксида азота с выходом более 99 процентов. В будущем именно синтез катализаторов исследователи считают основным способом использования предложенного ими метода.

Подбор металлов, которые в форме наночастиц можно использовать для катализа, — отдельная трудоемкая задача. Для ускорения этого процесса американские химики даже синтезировали целую библиотеку наночастиц, включающую в себя частицы как из отдельных металлов, так и из некоторых их сплавов.

Автор: Александр Дубов