Silberionen beeilen sich und warten dann, bis sie sich verteilen: Reischemiker zeigen, dass die stufenweise Freisetzung von Ionen aus Gold-Silber-Nanopartikeln eine nützliche Eigenschaft sein könnte

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Chemiker der Rice University und der Universität Duisburg-Essen haben die Freisetzung von Silberionen aus Gold-Silber-Nanopartikellegierungen quantifiziert. Oben zeigen Transmissionselektronenmikroskopbilder die Farbveränderung, wenn Silber (in Blau) über mehrere Stunden aus einem Nanopartikel austritt und Goldatome zurücklässt. Die unteren hyperspektralen Bilder zeigen, wie stark ein Nanopartikel aus Silber und Gold innerhalb von vier Stunden schrumpfte, als das Silber herausgelöst wurde. (Quelle: Rice University)

Abstract:
In diesen Nanopartikeln ist Gold enthalten, und früher war auch viel Silber dabei. Doch ein großer Teil des Silbers ist ausgelaugt, und die Forscher wollen wissen, wie das geschah.

Silberionen beeilen sich und warten, während sie sich zerstreuen: Reischemiker zeigen, dass die schrittweise Freisetzung von Ionen aus Gold-Silber-Nanopartikeln eine nützliche Eigenschaft sein könnte

Houston, TX | Gepostet am 23. April 2021

Gold-Silber-Legierungen sind nützliche Katalysatoren, die unter anderem Umweltschadstoffe abbauen, die Produktion von Kunststoffen und Chemikalien erleichtern und Bakterien auf Oberflächen abtöten. In Nanopartikelform könnten diese Legierungen als optische Sensoren oder zur Katalyse von Wasserstoffentwicklungsreaktionen nützlich sein.

Aber es gibt ein Problem: Silber bleibt nicht immer an Ort und Stelle.

Eine neue Studie von Wissenschaftlern der Rice University und der Universität Duisburg-Essen, Deutschland, deckt einen zweistufigen Mechanismus hinter der Silberdissipation auf, eine Entdeckung, die der Industrie dabei helfen könnte, Nanopartikellegierungen für bestimmte Anwendungen zu optimieren.

Das Team um die Rice-Chemiker Christy Landes und Stephan Link sowie den Doktoranden Alexander Al-Zubeidi und den Duisburg-Essen-Chemiker Stephan Barcikowski nutzte hochentwickelte Mikroskopie, um zu zeigen, wie Gold genug Silber zurückhalten könnte, um das Nanopartikel zu stabilisieren.

Ihre Studie erscheint in der Zeitschrift ACS Nano der American Chemical Society.

Die Forscher verwendeten ein hyperspektrales Dunkelfeld-Bildmikroskop, um Nanopartikel aus einer Gold-Silber-Legierung, die einen Überschuss an Silber enthielten, in einer sauren Lösung zu untersuchen. Die Technik ermöglichte es ihnen, Plasmonen auszulösen, Energiewellen, die bei Beleuchtung über die Oberfläche von Partikeln fließen. Diese Plasmonen streuen Licht, das sich je nach Zusammensetzung der Legierung ändert.

„Die Abhängigkeit des Plasmons von der Legierungszusammensetzung ermöglichte es uns, die Kinetik der Silberionenauslaugung in Echtzeit aufzuzeichnen“, sagte Al-Zubeidi, Hauptautor der Studie.

Al-Zubeidi stellte fest, dass Filme aus Gold- und Silberlegierungen seit Jahrzehnten häufig als antibakterielle Beschichtungen verwendet werden, da Silberionen für Bakterien giftig sind. „Ich denke, der Silberfreisetzungsmechanismus wurde aus Studien an Legierungsfilmen abgeleitet, aber er wurde nie quantitativ nachgewiesen“, sagte er.

Zunächst lösen sich Silberionen schnell aus Nanopartikeln, die dadurch buchstäblich schrumpfen. Im weiteren Verlauf des Prozesses gibt das Goldgitter im Laufe der Zeit in den meisten Fällen das gesamte Silber frei, aber etwa 25 % der Partikel verhalten sich anders und die Silberauslaugung ist unvollständig.

Al-Zubeidi sagte, ihre Beobachtungen deuten darauf hin, dass Gold manipuliert werden könnte, um die Nanopartikel der Legierung zu stabilisieren.

„Normalerweise würde die Silberauslaugung unter unseren Bedingungen etwa zwei Stunden dauern“, sagte er. „In der zweiten Stufe findet die Reaktion dann nicht mehr an der Oberfläche statt. Stattdessen müssen die Silberionen bei der Neuordnung des Goldgitters durch dieses goldreiche Gitter diffundieren, um an die Oberfläche zu gelangen, wo sie oxidiert werden können. Das verlangsamt die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich.

„Irgendwann passivieren die Partikel und es kann keine Auswaschung mehr stattfinden“, sagte Al-Zubeidi. „Die Partikel werden stabil. Bisher haben wir uns nur Partikel mit einem Silbergehalt von 80–90 % angesehen und festgestellt, dass viele Partikel kein Silber mehr auslaugen, wenn sie einen Silbergehalt von etwa 50 % erreichen.

„Das könnte eine interessante Zusammensetzung für Anwendungen wie Katalyse und Elektrokatalyse sein“, sagte er. „Wir möchten einen optimalen Bereich um die 50 % finden, an dem die Partikel stabil sind, aber dennoch viele ihrer silberähnlichen Eigenschaften aufweisen.“

Das Verständnis solcher Reaktionen könnte Forschern dabei helfen, eine Bibliothek von Gold-Silber-Katalysatoren und Elektrokatalysatoren für verschiedene Anwendungen aufzubauen.

Link sagte, das Rice-Team begrüße die Gelegenheit, mit Barcikowski zusammenzuarbeiten, einem führenden Unternehmen auf dem Gebiet der Nanopartikelsynthese mittels Laserablation. „Dadurch ist es möglich, Legierungsnanopartikel mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und ohne stabilisierende Liganden herzustellen“, sagte er.

„Von unserer Seite aus verfügten wir über die perfekte Technik, um den Prozess der Silberionenauswaschung aus vielen Nanopartikeln mit einer einzigen Legierung parallel mittels hyperspektraler Bildgebung zu untersuchen“, fügte Landes hinzu. „Nur ein Einzelpartikelansatz konnte die Intra- und Interpartikelgeometrie auflösen.“

„Diese Bemühungen werden einen neuen Ansatz zur Erzeugung nanostrukturierter Katalysatoren und neuer Materialien mit einzigartigen elektrochemischen, optischen und elektronischen Eigenschaften ermöglichen“, sagte Robert Mantz, Programmmanager für Elektrochemie beim Army Research Office, einem Teil der Army Research des US Army Combat Capabilities Command Labor. „Die Fähigkeit, Katalysatoren maßzuschneidern, ist wichtig, um das Ziel zu erreichen, das von Soldaten getragene Gewicht im Zusammenhang mit der Energiespeicherung und -erzeugung zu reduzieren und die Synthese neuartiger Materialien zu ermöglichen.“

Co-Autoren des Papiers sind die Rice-Doktoranden Charlotte Flatebo und Seyyed Ali Hosseini Jebeli sowie der Duisburg-Essen-Doktorand Frederic Stein und der Forscher Christoph Rehbock. Link ist Professor für Chemie sowie Elektro- und Computertechnik. Landes ist Professor für Chemie sowie für Elektro- und Computertechnik sowie Chemie- und Biomolekulartechnik. Barcikowski ist Professor für Chemie am Institut für Technische Chemie und am Zentrum für Nanointegration in Duisburg-Essen.

Das Army Research Office, ein National Defence Science and Engineering Graduate Fellowship, die Robert A. Welch Foundation, die National Science Foundation und die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützten die Studie.

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Über die Rice University
Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report durchweg zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice hat hoch angesehene Schulen für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Natur- und Sozialwissenschaften und beherbergt das Baker Institute for Public Policy. Mit 3,978 Studenten und 3,192 Studenten liegt das Verhältnis von Studenten zu Fakultäten bei Rice bei knapp 6 zu 1. Das College-System in Wohngebieten baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf. Dies ist nur ein Grund, warum Rice von der Princeton Review als Nummer 1 für viele Interaktionen zwischen Rasse und Klasse und als Nummer 1 für Lebensqualität eingestuft wird. Reis wird von Kiplingers Personal Finance auch als bester Wert unter privaten Universitäten eingestuft.

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