Los iones de plata se apresuran, luego esperan mientras se dispersan: ¿Los químicos del arroz muestran iones? La liberación escalonada de nanopartículas de oro y plata podría ser una propiedad útil.

Nano TechnologyMarca de tiempo: 24 de abril de 2021 3:15 p.m.

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Los químicos de la Universidad de Rice y la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania, cuantificaron la liberación de iones de plata de las aleaciones de nanopartículas de oro y plata. En la parte superior, las imágenes del microscopio electrónico de transmisión muestran el cambio de color a medida que la plata (en azul) se filtra de una nanopartícula durante varias horas, dejando atrás átomos de oro. Las imágenes hiperespectrales inferiores muestran cuánto se encogió una nanopartícula de plata y oro durante cuatro horas a medida que la plata se lixiviaba. (Crédito: Universidad de Rice)

Abstracto:
Hay oro en ellas como nanopartículas, y también solía haber mucha plata. Pero gran parte de la plata se ha filtrado y los investigadores quieren saber cómo.

Los iones de plata se apresuran, luego esperan mientras se dispersan: los químicos del arroz muestran que la liberación por etapas de los iones de las nanopartículas de oro y plata podría ser una propiedad útil

Houston, TX | Publicado el 23 de abril de 2021

Las aleaciones de oro y plata son catalizadores útiles que degradan los contaminantes ambientales, facilitan la producción de plásticos y productos químicos y matan las bacterias en las superficies, entre otras aplicaciones. En forma de nanopartículas, estas aleaciones podrían ser útiles como sensores ópticos o para catalizar reacciones de desprendimiento de hidrógeno.

Pero hay un problema: la plata no siempre se queda quieta.

Un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania, revela un mecanismo de dos pasos detrás de la disipación de la plata, un descubrimiento que podría ayudar a la industria a ajustar las aleaciones de nanopartículas para usos específicos.

El equipo dirigido por los químicos de Rice Christy Landes y Stephan Link y el estudiante graduado Alexander Al-Zubeidi y el químico de Duisburg-Essen Stephan Barcikowski emplearon microscopía sofisticada para mostrar cómo el oro podría retener suficiente plata para estabilizar la nanopartícula.

Su estudio aparece en la revista ACS Nano de la American Chemical Society.

Los investigadores utilizaron un microscopio de imágenes de campo oscuro hiperespectral para estudiar nanopartículas de aleación de oro y plata que contienen un exceso de plata en una solución ácida. La técnica les permitió activar plasmones, ondas de energía que fluyen a través de la superficie de las partículas cuando se encienden. Estos plasmones dispersan la luz que cambia con la composición de la aleación.

"La dependencia del plasmón de la composición de la aleación nos permitió registrar la cinética de lixiviación de iones de plata en tiempo real", dijo Al-Zubeidi, autor principal del estudio.

Al-Zubeidi señaló que las películas de aleación de oro y plata se han utilizado durante décadas, a menudo como recubrimientos antibacterianos, porque los iones de plata son tóxicos para las bacterias. "Creo que el mecanismo de liberación de plata se ha derivado de estudios de películas de aleación, pero nunca se ha probado de forma cuantitativa", dijo.

Inicialmente, los iones de plata se filtran rápidamente de las nanopartículas, que literalmente se encogen como resultado. A medida que continúa el proceso, la red de oro en la mayoría de los casos libera toda la plata con el tiempo, pero alrededor del 25% de las partículas se comportan de manera diferente y la lixiviación de la plata es incompleta.

Al-Zubeidi dijo que lo que observaron sugiere que el oro podría manipularse para estabilizar las nanopartículas de aleación.

“Por lo general, la lixiviación de plata duraría unas dos horas en nuestras condiciones”, dijo. “Luego, en la segunda etapa, la reacción ya no ocurre en la superficie. En cambio, a medida que la red de oro se reorganiza, los iones de plata tienen que difundirse a través de esta red rica en oro para llegar a la superficie, donde pueden oxidarse. Eso ralentiza mucho la velocidad de reacción.

“En algún momento, las partículas se pasivan y no puede ocurrir más lixiviación”, dijo Al-Zubeidi. “Las partículas se estabilizan. Hasta ahora, solo hemos analizado partículas con un contenido de plata del 80% al 90%, y descubrimos que muchas de las partículas dejan de lixiviar plata cuando alcanzan un contenido de plata de aproximadamente el 50%.

“Esa podría ser una composición interesante para aplicaciones como catálisis y electrocatálisis”, dijo. "Nos gustaría encontrar un punto óptimo alrededor del 50%, donde las partículas sean estables pero aún tengan muchas de sus propiedades similares a la plata".

Comprender tales reacciones podría ayudar a los investigadores a construir una biblioteca de catalizadores y electrocatalizadores de oro y plata para diversas aplicaciones.

Link dijo que el equipo de Rice agradeció la oportunidad de trabajar con Barcikowski, líder en el campo de la síntesis de nanopartículas mediante ablación láser. “Esto hace posible crear nanopartículas de aleación con varias composiciones y libres de ligandos estabilizadores”, dijo.

"De nuestro lado, teníamos la técnica perfecta para estudiar el proceso de lixiviación de iones de plata de muchas nanopartículas de aleación única en paralelo a través de imágenes hiperespectrales", agregó Landes. "Solo un enfoque de una sola partícula pudo resolver la geometría intra e interpartícula".

"Este esfuerzo permitirá un nuevo enfoque para generar catalizadores nanoestructurados y nuevos materiales con propiedades electroquímicas, ópticas y electrónicas únicas", dijo Robert Mantz, gerente de programa de electroquímica en la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Departamento de Investigación del Ejército del Comando de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. Laboratorio. "La capacidad de adaptar los catalizadores es importante para lograr el objetivo de reducir el peso de los soldados asociado con el almacenamiento y la generación de energía y permitir la síntesis de materiales novedosos".

Los coautores del artículo son los estudiantes de posgrado de Rice Charlotte Flatebo y Seyyed Ali Hosseini Jebeli y el estudiante de posgrado de Duisburg-Essen Frederic Stein y el investigador Christoph Rehbock. Link es profesor de química y de ingeniería eléctrica e informática. Landes es profesor de química y de ingeniería eléctrica e informática e ingeniería química y biomolecular. Barcikowski es profesor de química en el Instituto de Química Técnica y el Centro de Nanointegración de Duisburg-Essen.

La Oficina de Investigación del Ejército, una Beca de Posgrado en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional, la Fundación Robert A. Welch, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación de Investigación Alemana apoyaron el estudio.

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Acerca de la Universidad de Rice
Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es la sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 3,978 estudiantes universitarios y 3,192 estudiantes graduados, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales crea comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el primer lugar en interacción raza / clase y el número uno en calidad de vida según la Princeton Review. Rice también está calificada como una de las mejores universidades privadas por Finanzas Personales de Kiplinger.

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