Řízení prvkové distribuce laserem syntetizovaných Pd/FeOx nanočástic

Bc. Sabrin Abdallah

Master's thesis

Manipulation of element distribution in laser synthesized Pd/FeOx nanoparticles

Abstract:

The central theme of this thesis was to manipulate the element distribution in Pd/FeOx nanoparticles (NPs) by modifying the existing methodology of reactive laser ablation in liquids (RLAL). The manipulation of the liquid medium's pH conditions composed of a Pd aqueous solution while ablating a Fe plate forced these elements to form phase-segregated nanoalloys. Moreover, these phases' composition, distribution, and morphology within the nanoalloy depended on the employed pH value. Unlike traditional nanoalloy synthesis alternatives, often limited to specific element combinations, forced employment of hazardous chemicals, and large chemical waste production, RLAL permitted tailoring designing the Pd/FeOx nanoalloy system to a high degree; all this while suppressing potential detrimental environmental effects. In particular, the pH modifi- cation allowed the formation of Pd NPs encapsulating small FeOx NPs, a type of phase-segregated structure known as nested NPs. It was also possible to form FeOx NPs encapsulating nested Pd NPs, core-shell NPs comprising Pd as the core, and FeOx as the shell, and small FeOx NPs decorating the above. Such atypical morphologies also carried high-index facets, and as demonstrated by catalysis experiments, the combination of all these aspects suggests the formation of strong metal-support interactions (SMSI) between Pd and FeOx. Since SMSI are one of the few tools able to improve the heterogeneous catalyst's response, the current findings leading to the catalytic response improvement of magnetophoretic motile Pd/FeOx NPs through the formation of SMSI, are considered of striking importance for both; the laser-mediated generation of nanomaterials and the catalysis field. On the one hand, as clearly identified by the laser-synthesis community back in 2020, the major challenge in the field is the true control over nanoalloys composition; thus, the current findings push the field a step forward to gain complete control over the composition of nanoalloys. On the other hand, the method's versatility to exert the precise modifications leading to the formation of SMSI in magnetic nanocatalysts with the potential to be reused multiple times brings a refreshing hope for the field in terms of keep pushing the boundaries of customizing materials in benefit of the ever-increasing need of chemicals our society demands.

Abstract:

Hlavním tématem této práce byla řízená distribuce prvků v nanočásticích Pd/FeOx úpravou stávající metodiky reaktivní laserové ablace v kapalinách (RLAL). Úprava pH podmínek kapalného média složeného z vodného roztoku Pd při ablaci Fe plíšku přiměla tyto prvky k vytvoření fázově segregovaných nanoslitin. Navíc složení, distribuce a morfologie těchto fází v nanoslitině závisely na použité hodnotě pH. Na rozdíl od tradičních metod syntézy nanoslitin, které se často omezují na konkrétní kombinace prvků, nucené používání nebezpečných chemikálií a produkci velkého množství chemického odpadu, RLAL dovolila do značné míry přizpůsobení návrhu systému nanoslitin Pd/FeOx při omezení potenciálně škodlivých vlivů na životní prostředí. Úprava pH umožnila tvorbu nanočástic FeOx zapouzdřených ve větších nanočásticích Pd typu fázově segregované struktury známé jako vnořené nanočástice. Bylo také možné vytvořit FeOx nanočástice zapouzdřující vnořené Pd nanočástice, nanočástice typu jádro-plášť obsahující Pd jako jádro a FeOx jako plášť a malé FeOx nanočástice zdobící výše uvedené. Tyto atypické morfologie vykazovaly fazety s vysokým indexem, a jak bylo prokázáno katalytickými experimenty, kombinace všech těchto aspektů naznačuje vznik silných interakcí kov-nosič (SMSI) mezi Pd a FeOx. Vzhledem k tomu, že SMSI je jedním z mála nástrojů, kterými lze zlepšit odezvu heterogenního katalyzátoru, jsou současné poznatky vedoucí ke zlepšení katalytické odezvy magnetoforetických pohyblivých Pd/FeOx nanočástic prostřednictvím tvorby SMSI považovány za velmi důležité jednak pro laserem zprostředkovanou generaci nanomateriálů, ale také pro oblast katalýzy. Na jedné straně, jak již v roce 2020 jasně identifikovala komunita zabývající se laserovou syntézou, hlavní výzvou v této oblasti je přesná kontrola nad složením nanoslitin. Současné poznatky tedy posouvají oblast o krok vpřed k získání úplné kontroly nad složením nanoslitin. Na druhou stranu, všestrannost metody pro provádění přesných modifikací vedoucích k vytvoření SMSI v magnetických nanokatalyzátorech s potenciálem opakovaného použití přináší naději pro tuto oblast, pokud jde o posouvání hranic pro přesné navržení materiálů ve prospěch neustále rostoucí potřeby chemikálií, které naše společnost vyžaduje.

Keywords

nanoslitina, nanočástice, železo, palladium, laserová syntéza, femtosekundový laser, reaktivní laserová ablace v tekutinách

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Dr. Rafael Torres

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanotechnologie