Исследование биметаллического эффекта наночастиц Au@Pd на наноструктурах оксида никеля с повышенной каталитической активностью

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 3203 (2023) Цитировать эту статью

741 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Биметаллическое украшение полупроводниковых электродов обычно улучшает каталитические и сенсорные характеристики благодаря широко заявленному синергетическому эффекту. Микроскопическое и количественное исследование такого воздействия на энергетические зоны полупроводника может оказаться действительно полезным для дальнейших исследований. Наночастицы Au, Pd и Au@Pd (ядро@оболочка) (размером 10–20 нм) были синтезированы методом химического восстановления и охарактеризованы с помощью сканирующей и трансмиссионной микроскопии, резерфордовской спектрометрии обратного рассеяния, циклической вольтамперометрической электрохимической импедансной спектроскопии и анализа Мотта-Шоттки. Наночастицы использовались для украшения наноструктурированных электродов на основе Ni с целью количественного исследования эффекта декорирования моно- или биметаллическими наночастицами. Декорированные электроды демонстрируют более высокие окислительно-восстановительные токи, чем неизолированные, и сдвиг окислительно-восстановительных пиков (до 0,3 В), что можно объяснить более эффективным транспортом электронов и улучшенными каталитическими свойствами. Эти эффекты были удовлетворительно смоделированы (COMSOL) с использованием наноперехода Шоттки на границе раздела наночастица-полупроводник, что выявило большой изгиб энергетической зоны (до 0,4 эВ), область пространственного заряда и локальное электрическое поле (до \({10}^{ 8}\mathrm{ V }{\mathrm{m}}^{-1}\)) в биметаллическом исполнении. Для закрепления нашей модели были проведены тесты на глюкозу и H2O2 с помощью украшенных оксидно-никелевых электродов. Присутствие биметаллических наночастиц значительно улучшает электрохимические характеристики материала с точки зрения чувствительности, каталитической активности и электрического транспорта. Модификация зонной диаграммы полупроводника анализируется и обсуждается также с точки зрения переноса электрона во время окислительно-восстановительных реакций.

Биметаллические наночастицы (НЧ) привлекли огромный интерес в последнее десятилетие из-за их интригующих физических и химических свойств, а также их применения во многих областях материаловедения (катализ, фотокатализ, оптика, сенсорика и наномедицина)1,2,3,4. ,5. Действительно, добавление/замена одного или нескольких химических элементов на металлическую поверхность увеличивает возможную геометрию связей поверхностных адсорбатов и одновременно изменяет электронную структуру на поверхности6. Как правило, биметаллические НЧ можно классифицировать по характеру их смешивания (химическому упорядочению) и геометрической структуре. Можно выделить две основные категории НЧ: ядро-оболочка (или ядро@оболочка) и нанокомпозитные биметаллические НЧ с упорядоченным расположением атомов в первом случае и случайным смешанным атомом во втором2. Независимо от порядка наблюдается определенное улучшение каталитических и сенсорных характеристик, что обычно объясняется синергическим эффектом7. Фактически, большинство фундаментальных свойств НЧ нельзя описать как экстраполяцию объемных свойств. С теоретической точки зрения биметаллические НЧ представляют собой идеальный испытательный стенд для разработки новых теоретических концепций и методов и представляют ряд вопросов, представляющих фундаментальный интерес8.

В нескольких теоретических исследованиях изучался этот синергетический эффект на поверхностную адсорбцию и химические реакции9,10,11,12,13,14. Когда атом инородного металла добавляется к металлическому хозяину, происходит ключевое изменение в положении и заполнении d-зоны, вызванное изменением локальных связей для размещения инородного атома. Эти изменения обычно влияют на количество d-электронов, и его изменение приводит к изменению реакционной способности биметаллических наночастиц15. С экспериментальной точки зрения, эффект биметаллических НЧ вызывает заметное повышение чувствительности16,17, каталитической активности11,14,18 и электрических свойств19,20. Однако большинство экспериментальных работ, помимо измерения биметаллического эффекта и упоминаний о неуказанном синергетическом эффекте, упускают какие-либо попытки микроскопически охарактеризовать и смоделировать его21. Глубокое понимание взаимосвязи между каталитическим результатом и синергическим эффектом в биметаллических НЧ может помочь в разработке более эффективных сенсоров с низкой стоимостью, повышенной активностью и высокой селективностью21.