El desconocimiento de cómo cristaliza el níquel en un sólido ha dificultado su aplicación prospectiva en nuevos nanomateriales y como catalizador de bajo costo en reacciones químicas que se llevan a cabo en muchos procesos industriales.
Los investigadores ahora han utilizado microscopía electrónica de fase líquida para observar esta cristalización de las dos formas estructurales de níquel a escala atómica.
el 13 de mayoº2022, se publicó un informe que explica sus hallazgos en la revista Nanobúsqueda.
Los catalizadores son materiales que aceleran la velocidad de las reacciones químicas y son necesarios para crear una amplia gama de productos industriales. Sin embargo, uno de los obstáculos que enfrentan en una variedad de aplicaciones, particularmente en tecnologías energéticas, es que muchos de ellos son metales preciosos.
El platino, por ejemplo, cuesta cientos de dólares la onza y se usa como catalizador para acelerar los procesos hasta el punto en que una variedad de fuentes de combustible limpias es una realidad práctica.
El níquel, por otro lado, es uno de los metales más abundantes en la corteza terrestre y cuesta unos pocos centavos la onza. El níquel también es bastante estable en una amplia gama de condiciones. Como resultado de su amplia gama de aplicaciones catalíticas, los catalizadores a base de níquel han atraído mucho la atención de la investigación recientemente.
Los catalizadores que contienen metales preciosos, por otro lado, aumentan la velocidad de reacción más que el níquel.
Se han ideado varias estrategias para aumentar las capacidades catalíticas del níquel y utilizarlo como componente de nuevos nanomateriales, pero para seguir avanzando, los investigadores deben comprender mejor algunas de las características más fundamentales de la formación y la estructura del níquel.
Investigan los cristales de níquel en su forma diminuta, al principio de su formación (o nucleación) a partir de un líquido, para llevar a cabo dicha investigación. Cualquier partícula de cristal con al menos un lado que mide menos de 100 nm se llama nanocristal (una millonésima parte de un metro).
Los nanocristales de níquel se pueden encontrar en dos formas de red cristalina: cúbica y hexagonal, a menudo conocidas como «empaquetado cerrado hexagonal» o hcp. El mecanismo detrás de la formación de estas dos estructuras reticulares, el proceso de cristalización, ha permanecido en gran medida sin explicación.
Para obtener una comprensión completa del proceso de cristalización, se requiere un control directo en tiempo real de las vías de nucleación de los nanocristales de níquel hcp a nivel atómico.
Otros investigadores han utilizado microscopía electrónica de fase líquida para estudiar las vías de cristalización de nanocristales de plata y oro en tiempo real, mostrando los procesos de nucleación en varias etapas de formación de cristales de estos elementos.
A diferencia de un microscopio tradicional, la microscopía electrónica utiliza un haz de electrones para iluminar un objeto de interés en lugar de fotones. Debido a que la longitud de onda de un electrón es mucho más corta que la de los fotones que componen la luz visible, es posible investigar cosas increíblemente pequeñas.
El procedimiento es el mismo que en la microscopía electrónica de fase líquida, pero permite el estudio de muestras en líquido. La microscopía electrónica de fase líquida ha demostrado ser un método útil para monitorear la nucleación y el desarrollo de nanocristales, ya que el objetivo es ver cómo se forman cristales sólidos a partir de un líquido.
En principio, los nanocristales de Ni pueden cristalizar en fases fcc o hcp. Normalmente, la formación de la nueva fase de nanocristal depende de la energía de adsorción del tensioactivo y la energía superficial de las facetas expuestas. Algunos investigadores ya habían utilizado esta técnica para investigar la formación de la forma estructural cúbica de los nanocristales de níquel en una solución de crecimiento homogénea de Ni(II) que contenía complejos de acetato de amina-ni.
Junyu Zhang, coautor del estudio e investigador, Centro de Análisis Instrumental, Universidad de Huaqiao
Zhang agregó: “Y ahora, en este trabajo, tanto el estudio TEM de celda líquida in situ como los cálculos teóricos han identificado las características no clásicas de la cristalización de hcp Ni en solución de N,N-dimetilformamida (DMF) a una alta tasa de dosis de haz de electrones.”
Los investigadores prepararon una solución líquida con más níquel del que se podía disolver (una ‘solución sobresaturada’) para que cualquier exceso se precipitara naturalmente como un sólido (en otras palabras, a través de la cristalización). Luego emplearon un microscopio electrónico de fase líquida para observar la nucleación en tiempo real.
Informaron específicamente sobre la visualización directa y en tiempo real de los procesos dinámicos de cristalización mediada por fase amorfa de nanopartículas de hcp Ni con facetas (10) o Ni (0001 hcp) en una solución homogénea a través de descomposición espinodal, solidificación y cristalización a escala bajo un haz de electrones alto. tasas de dosis
También utilizaron el crecimiento capa por capa para examinar el desarrollo de facetas de los nanocristales de Ni. Finalmente, el frágil Ni se desintegró en la solución.
Los investigadores esperan que tener una mejor comprensión de los procesos fundamentales de formación de cristales de níquel en la escala más baja les ayude a crear mejores sistemas y catalizadores de materiales de níquel hcp en el futuro.
Referencia de la revista:
Zhang, j. y otra. (2022) Mecanismos atómicos de nanocristalización de Ni compacto hexagonal revelados por microscopía electrónica de transmisión de células líquidas in situ. Nanoinvestigación doi:10.1007/s12274-022-4475-3.
