Odkrywamy sekrety elektrodepozycji nanostruktur – przełomowe badania IFJ PAN

Zespół badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, we współpracy z międzynarodowymi partnerami, zrealizował zaawansowane badania nad procesem elektrodepozycji nanocząstek platyny z niklem (PtNi). Osiągnięte wyniki, wyróżnione w czasopiśmie „Nano Letters”, przybliżają nas do bardziej precyzyjnego projektowania materiałów o zastosowaniach w energetyce, medycynie i elektronice.

Czym są nanostruktury i dlaczego elektrodepozycja jest kluczowa?

Nanostruktury, liczące od kilku do tysięcy atomów, odgrywają istotną rolę w nowoczesnych technologiach. Szczególnie nanowarstwy na elektrodach, wykorzystywane jako katalizatory w energetyce, wymagają kontrolowanych metod wytwarzania. Proces elektrodepozycji, polegający na zanurzeniu elektrody w roztworze soli metalu i przyłożeniu napięcia, umożliwia skuteczne tworzenie nanowarstw. Jednak kontrola tego procesu na poziomie atomowym pozostawała dotąd wyzwaniem, na które odpowiedział zespół badaczy IFJ PAN.

Nowoczesne techniki obrazowania – klucz do zrozumienia procesu

Badania zespołu z Krakowa posłużyły się techniką transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) w specjalnej komórce przepływowej, która pozwala na obserwację w czasie rzeczywistym. Dzięki tej technologii badacze uzyskali obrazy nanostruktur o niespotykanej rozdzielczości, umożliwiając wgląd w proces nukleacji i wzrostu warstw nanocząstek PtNi.

Prof. Magdalena Parlińska-Wojtan z IFJ PAN wyjaśnia: „Komórka przepływowa, która pozwala na eksperymenty w mikroskopie TEM, to innowacja umożliwiająca badanie reakcji chemicznych. Dzięki temu mogliśmy bezpośrednio zaobserwować, jak warstwa narasta na elektrodzie”.

Kluczowe odkrycia – sferyczne nanocząstki i struktury dendrytyczne

Zespół badawczy odkrył, że warstwa PtNi formuje się bezpośrednio na powierzchni elektrody, tworząc sferyczne nanocząstki o rozgałęzionych strukturach dendrytycznych. Proces ten przebiega według dwóch mechanizmów: pierwszy zakłada bezpośredni wzrost nanocząstek na elektrodzie, drugi – tworzenie ich w elektrolicie, po czym migrują na powierzchnię elektrody. Dzięki precyzyjnej kontroli parametrów, takich jak napięcie, udało się zaobserwować naprzemienny proces wzrostu i rozpuszczania nanocząstek.

Synchrotronowe badania STXM w SOLARIS – analiza składu chemicznego

W Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, dzięki technice STXM, możliwe było uzyskanie szczegółowych informacji o składzie chemicznym wytworzonych warstw. Badania wykazały obecność tlenku niklu(II) i metalicznej platyny, co potwierdza złożony charakter procesu elektrodepozycji.

Prof. Parlińska-Wojtan podsumowuje: „Te zaawansowane badania pozwoliły nam lepiej zrozumieć warunki wzrostu nanostruktur, co przyczyni się do rozwoju efektywnych materiałów dla przyszłych zastosowań”.

Publikacja i znaczenie badań dla nauki

Rezultaty badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nano Letters” i wyróżnione umieszczeniem grafiki towarzyszącej na okładce wydania. Odkrycia IFJ PAN stanowią istotny wkład w rozwój zaawansowanych materiałów nanotechnologicznych o szerokim zastosowaniu przemysłowym i medycznym.

Understanding the Growth of Electrodeposited PtNi Nanoparticle Films Using Correlated In-Situ Liquid Cell Transmission Electron Microscopy and Synchrotron Radiation, M. Parlińska-Wojtan, T.R. Tarnawski, J. Depciuch, M.L. De Marco, K. Sobczak, K. Matlak, M. Pawlyta, R.E. Schaeublin, S.W. Chee. „Nano Letters” 24 (2024), 12361-67; DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02228