Materials on the nanoscale: Total scattering analysis for nanoparticle chemistry

Nanomaterial har kommit att spela en enorm roll i modern materialkemi: Genom att nanodimensionera de funktionella materialen som används i en rad olika applikationer kan materialens egenskaper förbättras och nya applikationer kan uppstå. Denna utveckling har utmanat de konventionella teknikerna för materialkaraktärisering. Total spridning i kombination med analys av parfördelningsfunktioner gör det dock möjligt för oss att titta närmare på nanostrukturen och fastställa struktur-egenskapsrelationen för avancerade funktionella material.1 Här kommer jag att presentera senaste arbete som illustrerar hur vi använder total spridning med röntgen för att studera atomstruktur i avancerade nanomaterial, med särskilt fokus på metall- och metalloxidnanopartiklar. Vi observerar att nya strukturella motiv, instabila i bulkformen, blir dominerande i nanoskala material. I molybdenoxider använder vi till exempel PDF-analys tillsammans med HR-STEM för att bestämma strukturen hos 3 nm MoO2-partiklar, där rutilbaserade skjuvplan uppträder, vilket förändrar materialegenskaperna.2

Förutom att studera de syntetiserade nanopartiklarna, kommer jag också att visa hur total spridning med röntgen på plats gör det möjligt att följa bildandet av material. Trots årtionden av forskning om kärnbildningsprocesser är mycket lite känt om hur nanopartikelbildning under solvotermisk syntes sker på atomär skala. Vi har utvecklat metoder som gör det möjligt att använda in situ synkrotronröntgen totalspridning och analys av pardistributionsfunktioner för att följa nanopartikelkärnbildning och tillväxt in situ.3 I motsats till konventionella kristallografiska studier ger PDF-analys strukturell information från icke-kristallina arter, vilket gör det möjligt att erhålla strukturell information på atomär skala, hela vägen från prekursor till de slutliga nanoklustren under syntesen. Med hjälp av total röntgenspridning härleder vi atomstrukturen hos prenukleationskluster, som finns i processerna precis innan de kristallina nanopartiklarna har bildats. Vi visar att lösningsmedels- och syntesförhållandena har stor inverkan på kärnbildningsvägen och strukturen hos nanoskalaklustren i den syntetiska vägen.

1. Christiansen, T. L.; Cooper, S.R.; Jensen, K. M. Ø., Det finns ingen plats som verkligt rymd: belysa storleksberoende atomstruktur av nanomaterial med hjälp av parfördelningsfunktionsanalys. Nanoscale Adv. 2020, 2 (6), 2234-2254.
2. Christiansen, T. L.; Bøjesen, E. D.; Juelsholt, M.; Etheridge, J.; Jensen, K. M. Ø., storleksinducerade strukturella förändringar i molybdenoxidnanopartiklar. ACS Nano 2019, 13 (8), 8725-8735.
3. Juelsholt, M.; Lindahl Christiansen, T.; Jensen, K. M. Ø., Mechanisms for Tungsten Oxide Nanoparticle Formation in Solvothermal Synthesis: From Polyoxometalates to Crystalline Materials. J. Phys. Chem. C 2019, 123 (8), 5110-5119.