Nanopartikel Dua Dimensi dengan Potensi Besar

Dua dimensi nanopartikel dengan potensi besar

Hidrogen dianggap sebagai alternatif bahan bakar ramah lingkungan untuk bahan bakar fosil konvensional. Hingga saat ini, bahan-bahan mahal dan langka seperti platinum diperlukan untuk produksi katalitiknya, misalnya melalui pemisahan air elektrolitik. Katalis yang lebih mudah tersedia dapat membuat produksi dalam jumlah besar menjadi mungkin di masa depan. Tim peneliti Helmut Cölfen (Kimia Fisik) dan Peter Nielaba (Fisika Statistik dan Komputasi) dari Universitas Konstanz telah mengembangkan metode umum untuk memproduksi nanopartikel dua dimensi dari bahan-bahan yang mudah diakses, bersama dengan para peneliti dari Universitas Kelautan China di Qingdao dan Institut Fritz Haber dari Max Planck Society di Berlin, Jerman. Nanopartikel dua dimensi memiliki potensi katalitik yang tinggi, sehingga rute sintetis ini cocok untuk memproduksi katalis yang sangat aktif.

Proses sintesis yang sesuai dilakukan dalam larutan air sederhana. Tidak diperlukan aditif beracun atau suhu yang sangat tinggi yang tidak menguntungkan secara energetik. Proses ini dikendalikan dengan hanya bervariasi dalam konsentrasi komponen dan dengan regulasi suhu. Tim peneliti berhasil membentuk lebih dari 30 senyawa yang berbeda menjadi bentuk dua dimensi menggunakan metode ini, yang telah dijelaskan untuk pertama kalinya dalam jurnal ilmiah Nature Synthesis.

Keuntungan nanopartikel dua dimensi

Nanopartikel dua dimensi memiliki jumlah atom permukaan yang sangat besar, yang memiliki sifat yang berbeda dari atom dalam partikel. Ikatan atom permukaan tidak jenuh karena permukaan kekurangan atom tetangga langsung untuk membentuk ikatan di dalam partikel. Hal ini menyebabkan tegangan permukaan atau antar-muka. Karena keadaan yang tidak jenuh ini membutuhkan energi yang cukup banyak untuk sistem secara keseluruhan, nanopartikel mencoba berkumpul bersama untuk menyelesaikan ikatan dan meminimalkan luas permukaan.

Namun, jika ikatan permukaan tetap tidak jenuh, ini akan menghasilkan reaktivitas kimia yang lebih tinggi. Jumlah ikatan yang tidak jenuh sangat tinggi pada nanopartikel dua dimensi karena mereka memiliki ikatan yang tidak jenuh tidak hanya di bagian atas dan bawah, tetapi juga di sisi dan tepi. Ini membuat mereka sangat menarik untuk katalisis, yang memainkan peran penting dalam kimia. Namun, nanokristal yang diperlukan sulit dibuat karena keadaan energi yang tidak menguntungkan pada permukaan.

Nanopartikel dua dimensi adalah anisotropik, dan sifat mereka tergantung pada orientasi blok bangunan mereka. Gitter kristal partikel menentukan arah pertumbuhan partikel. Jika nanopartikel memiliki gitter kristal berlapis seperti pada tanah liat, partikel tumbuh secara dua dimensi. Namun, bahan yang menguntungkan untuk katalisis jarang mengadopsi bentuk dua dimensi dengan sendirinya. Jika gitter kristal menentukan bahwa kristal tumbuh dengan cepat di sepanjang dua sumbu kristal, nanopartikel dua dimensi dapat dengan mudah disintesis. Kemudian, hanya beberapa blok bangunan molekuler yang diperlukan dalam larutan untuk menumbuhkan nanopartikel secara dua dimensi. Jika kristal tumbuh dengan cepat dalam arah lain atau hanya sedikit lebih lambat, kristal tersebut mengambil bentuk tiga dimensi.

Cara pertumbuhan nanopartikel secara dua dimensi

Tim peneliti telah menemukan bagaimana konsentrasi bahan bangunan molekuler dalam larutan dapat dimanipulasi untuk menghasilkan pertumbuhan nanopartikel dua dimensi. Jika konsentrasi bahan bangunan ditingkatkan, prinsip "apa yang tumbuh cepat juga akan mengonsumsi lebih banyak material" akan berlaku: Jarak antara sumbu kristal yang tumbuh dengan cepat dan lambat akan meningkat, menghasilkan partikel dua dimensi.

Metode meningkatkan konsentrasi bahan bangunan tidak akan berhasil jika laju pertumbuhan di sepanjang sumbu kristal yang relevan hampir sama. Dalam hal ini, para peneliti menggunakan parameter lain. Laju pertumbuhan permukaan kristal tergantung secara eksponensial pada suhu. Jika suhu larutan diubah bahkan hanya beberapa derajat, perbedaan laju pertumbuhan antara permukaan kristal yang tumbuh dengan cepat dan lambat akan meningkat. Akibatnya, nanopartikel akan tumbuh secara dua dimensi.

Metode ini berhasil untuk lebih dari 30 unsur di dalam tabel periodik. Tim peneliti berhasil mengidentifikasi lebih dari 30 unsur di dalam tabel periodik yang membentuk partikel dua dimensi sebagai oksida atau hidroksida, tetapi juga asam, sulfida, oxychlorida, dan fosfat. Keuntungan dari pendekatan umum ini adalah bahan biasanya diproduksi pada suhu ruangan di dalam air tanpa menggunakan pelarut beracun atau suhu yang tinggi.

Selain itu, rendemen bahan katalitik sangatlah mudah diukur. Di laboratorium, para peneliti bekerja pada skala multigram. Untuk memproduksi katalis dalam jumlah besar menggunakan bahan-bahan yang mudah diakses, hanya diperlukan wadah tertutup - bukan peralatan khusus seperti tekanan tinggi.

Eksperimen mengkonfirmasi teori ini. Studi eksperimental juga menunjukkan bagaimana pengetahuan teoritis dapat diaplikasikan. Eksperimen tersebut mengkonfirmasi simulasi teoretis yang dilakukan oleh tim Peter Nielaba dalam proyek bersama dengan tim Cölfen di Collaborative Research Centre 1214 "Anisotropic Particles as Building Blocks: Tailoring Shape, Interactions and Structures" di Universitas Konstanz. Fisikawan tersebut telah mempertimbangkan variasi dalam konsentrasi komponen dan suhu. "Perhitungan dan temuan yang kami lakukan secara eksperimental benar-benar sama," demikian disimpulkan oleh Helmut Cölfen.

Proses sintesis dilakukan di dalam larutan air sederhana pada suhu ruangan. Tidak diperlukan aditif beracun atau suhu yang tinggi.

Journal Reference:

Zongkun Chen, Ralf Schmid, Xingkun Wang, Mengqi Fu, Zhongkang Han, Qiqi Fan, Elke Scheer, Minghua Huang, Peter Nielaba, Helmut Cölfen. Growth strategy for solution-phase growth of two-dimensional nanomaterials via a unified model. Nature Synthesis, 2023; DOI: 10.1038/s44160-023-00281-y