Esclarecendo o efeito bimetálico de nanopartículas de Au@Pd em nanoestruturas de óxido de Ni com atividade catalítica aprimorada

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3203 (2023) Citar este artigo

741 acessos

1 Citações

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

A decoração bimetálica de eletrodos semicondutores normalmente melhora os desempenhos catalítico e de detecção por causa de um efeito sinérgico bem reivindicado. Uma investigação microscópica e quantitativa de tal efeito nas bandas de energia do semicondutor pode ser realmente útil para exploração posterior. Au, Pd e Au@Pd (core@shell) nanopartículas (10–20 nm de tamanho) foram sintetizadas através do método de redução química e caracterizadas com microscopia de varredura e transmissão, espectrometria de retroespalhamento Rutherford, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância eletroquímica e análise Mott–Schottky. As nanopartículas têm sido utilizadas para decorar eletrodos nanoestruturados à base de Ni com o objetivo de investigar quantitativamente o efeito da decoração com nanopartículas mono ou bimetálicas. Os eletrodos decorados mostram correntes redox mais altas do que os nus e uma mudança nos picos redox (até 0,3 V), o que pode ser atribuído a um transporte de elétrons mais eficiente e propriedades catalíticas aprimoradas. Esses efeitos foram modelados satisfatoriamente (COMSOL) empregando uma junção nano Schottky na interface nanopartícula-semicondutor, apontando grande curvatura da banda de energia (até 0,4 eV), região de carga espacial e campo elétrico local (até \({10}^{ 8}\mathrm{ V }{\mathrm{m}}^{-1}\)) em decoração bimetálica. Testes de detecção de glicose e H2O2 por eletrodos de óxido de Ni decorados foram realizados para consolidar nosso modelo. A presença de nanopartículas bimetálicas aumenta enormemente o desempenho eletroquímico do material em termos de sensibilidade, atividade catalítica e transporte elétrico. A modificação do diagrama de bandas de energia em semicondutores é analisada e discutida também em termos de transferência de elétrons durante reações redox.

As nanopartículas bimetálicas (NPs) atraíram enorme interesse na última década devido às suas intrigantes propriedades físicas e químicas e suas aplicações em muitos campos da ciência dos materiais (catálise, fotocatálise, óptica, detecção e nanomedicamentos)1,2,3,4 ,5. De fato, a adição/substituição de um ou mais elementos químicos a uma superfície metálica aumenta as possíveis geometrias de ligação dos adsorvatos de superfície e simultaneamente altera a estrutura eletrônica na superfície6. Geralmente, as NPs bimetálicas podem ser classificadas de acordo com seu padrão de mistura (ordem química) e estrutura geométrica. Duas categorias principais de NPs podem ser identificadas: núcleo-casca (ou core@shell) e NPs bimetálicas nanocompostas, com um arranjo atômico ordenado no primeiro caso e átomos mistos aleatórios no segundo2. Independentemente do pedido, uma certa melhora do desempenho catalítico e de detecção é observada e normalmente explicada inferindo um efeito sinérgico7. Na verdade, a maioria das propriedades fundamentais dos NPs não pode ser descrita como extrapolação de propriedades em massa. Do ponto de vista teórico, NPs bimetálicos fornecem bancada de teste ideal para o desenvolvimento de novos conceitos teóricos e técnicas e apresentam uma série de questões de interesse fundamental8.

Várias investigações teóricas estudaram esse efeito sinérgico na adsorção de superfície e reações químicas9,10,11,12,13,14. Quando um átomo de metal estranho é adicionado a um hospedeiro de metal, ocorre uma mudança chave na posição e no preenchimento da banda d, causada pela alteração da ligação local para acomodar o átomo estranho. O número de d-elétrons é tipicamente afetado por essas mudanças, e sua variação leva a uma mudança na reatividade das nanopartículas bimetálicas15. Do ponto de vista experimental, o efeito das NPs bimetálicas induz um aumento sensível em termos de sensibilidade16,17, atividade catalítica11,14,18 e propriedades elétricas19,20. No entanto, a maioria dos trabalhos experimentais, além de medir o efeito bimetálico e invocar um efeito sinérgico não especificado, perde qualquer tentativa de caracterizá-lo e modelá-lo microscopicamente21. Uma compreensão profunda da relação entre o resultado catalítico e o efeito sinérgico em NPs bimetálicas pode ajudar no desenvolvimento de sensores mais eficientes com baixo custo, atividade aprimorada e alta seletividade21.