Síntese de plasma de faísca contínua de nanopartículas binárias de Au/Co com propriedades ajustáveis

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18560 (2022) Citar este artigo

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Apresentamos aqui uma técnica de fase gasosa escalável e ecológica que emprega plasmas de descarga elétrica de pressão atmosférica para a produção de binários Au/Co, um sistema catalisador eficaz para a decomposição de compostos ricos em hidrogênio, como o borano de amônio. Demonstramos que as nanopartículas de liga de Au/Co podem ser produzidas através da técnica baseada em faísca de plasma. A possibilidade de variar a morfologia e a estrutura da fase através do tratamento térmico em tempo real do aerossol gerado para formar partículas de Au/Co/CoO com controle contínuo sobre uma ampla faixa de composição de partículas (de 24 a 64 at.% [Co]/([Co ] + [Au]) conteúdo) também é demonstrado. Uma vez que nossa abordagem baseada em centelhas provou ser capaz de fornecer rendimentos razoáveis ​​de partículas, esses resultados podem contribuir para a transição de sistemas de armazenamento de hidrogênio baseados em nanocatalisadores em escala de laboratório para aplicações no mundo real.

As nanopartículas binárias (BNPs) atraem considerável interesse devido ao seu desempenho magnético, óptico ou catalítico aprimorado em muitos campos, tanto na forma de liga1,2 quanto na forma de fase segregada3,4. No caso da catálise, um exemplo proeminente é o sistema Au/Co, que é um candidato adequado para gerar hidrogênio a partir de amônia borano (amminetrihidridoboro), um promissor material combustível de fase condensada para motores movidos a hidrogênio5,6,7,8,9 . Au/Co binário NPs (BNPs) são geralmente sintetizados através de métodos químicos, por exemplo, pela redução simultânea de Au e Co precursores8,10,11,12 ou pelo emprego de cobalto13,14 ou ouro15 NPs como sementes. Estas técnicas podem resultar em Au@Co8,15 ou Co@Au13 core-shell BNPs, bem como Au/Co nanoligas11,12 dependendo das condições experimentais. Os métodos químicos usam inerentemente vários solventes e reagentes em processos geralmente bastante complexos e com várias etapas, onde o controle de tamanho e composição dos BNPs de Au/Co sintetizados é desafiador, o que é um fator limitante para o estudo de suas aplicações. Um controle muito melhor dos BNPs Au/Co pode ser obtido através de métodos de fase gasosa, onde a formação de partículas é facilitada pela condensação e agregação de átomos e íons metálicos em um ambiente gasoso ou evacuado16,17. Mayoral et ai. mostraram que os BNPs núcleo-casca Au@Co e Co@Au com tamanho e composição controlados podem ser gerados pelo método de condensação de gás inerte, utilizando um vapor de metal supersaturado formado por pulverização catódica de um alvo a granel17,18. Llamosa et al. demonstraram que a adaptação de Au/Co BNPs pode ser alcançada usando várias fontes de agrupamento de íons para produzir estruturas de núcleo-casca bem definidas ou núcleo-casca-casca em ultra-alto vácuo16. Essas abordagens oferecem amplo controle sobre o processo de formação de partículas, no entanto, requerem instrumentação sofisticada e/ou um ambiente de alto vácuo, o que torna sua escalabilidade em nível industrial e, portanto, sua aplicação na vida real altamente desafiadora. Outro método físico em fase gasosa, que tem grande potencial tanto em versatilidade quanto em escalabilidade, é a ablação por faísca19. Baseia-se em uma ideia tecnicamente simples, ou seja, a erosão de dois eletrodos condutores por faíscas de alta tensão e alta corrente, com duração de microssegundos, oscilatórias e repetitivas20. Da mesma forma que as técnicas de fase gasosa mencionadas acima, o processo inclui apenas eletrodos de alta pureza e um ambiente gasoso controlado, portanto, NPs excepcionalmente puros podem ser obtidos21. Além disso, a ablação por centelha não requer sistema de vácuo e sua implementação elétrica também é simples, o que facilita a geração escalável de partículas22,23. Além disso, devido à capacidade de erodir periodicamente dois eletrodos volumosos com composições diferentes, a ablação por faísca tem maior potencial no campo da síntese de NP multielementar com composição e estrutura controláveis24,25,26,27. No presente artigo, relatamos a síntese e caracterização baseada em ablação por faísca de Au/Co BNPs. Também demonstramos a possibilidade de ajustar a composição dos Au/Co BNPs em uma ampla faixa, juntamente com a variação da morfologia das partículas. Acreditamos que nossos resultados facilitam o desenvolvimento de metodologias para produzir nanocatalisadores de Au/Co adequados tanto em qualidade quanto em quantidade para diversos desafios da vida real, como os relacionados aos sistemas de armazenamento de hidrogênio.