Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanoparticles: When less is more in predicting performance

09.11.2012
A computational approach that makes processor-intensive first-principle calculations more manageable is now available to predict the structure of nano-alloy catalysts

Nanoparticles can be potent catalysts. Bimetallic nano-alloys of platinum and palladium, for example, can help to generate hydrogen fuel by promoting the electrochemical breakdown of water.

Identifying the most active nano-alloy for such a task, however, remains a challenge; catalytic performance relates directly to particle structure, and experiments to establish the atomic arrangement of such small particles are difficult to perform. Predicting stable nano-alloy structures is now possible using a computational approach developed by Teck Leong Tan at the A*STAR Institute of High Performance Computing and his co-workers1.

Their technique can also identify ways in which the nanoparticle’s atomic structure could be tuned to improve catalytic performance.

The challenge with calculating nano-alloy structure and properties from first principles is the computational processing power it requires, says Tan. For their study, he and his co-workers considered a 55-atom nano-alloy particle, each site in the structure filled by either a palladium or a platinum atom. “There are millions of possible alloy configurations, so it would be computationally intractable to do a direct search using first-principles calculations,” Tan explains.

To make the process manageable, the researchers conceptually broke the nanoparticle down into small geometric subunits, or clusters. From first principle calculations on a set of around 100 different alloy structures, each consisting of 30 or so clusters, they generated a reliable model of alloy behavior using an approach called cluster expansion. From this model, they calculated whole-nanoparticle properties. “The model is used to rapidly search through the huge configuration space for low-energy states,” says Tan. These low-energy states represent the stable alloy configurations that should exist experimentally (see image).

Using their calculated stable structures, Tan and his co-workers then predicted how different atomic conformations affect a particle’s performance as a catalyst. As a model reaction, the researchers examined the hydrogen evolution reaction, the electrochemical generation of hydrogen gas. The results suggest that particle catalytic activity will increase as more palladium is added, because this alloy improves hydrogen binding at various adsorption sites on the nanoparticle surface — useful information for guiding the synthesis of new nanocatalysts.

The approach should be widely applicable for nanoparticle research, notes Tan. “The cluster expansion method can generally be applied to any alloy systems where structures and stabilities are of interest,” he says. Tan next plans to investigate the impact of molecules adsorbed onto a catalyst’s surface. “The presence of adsorbed molecules often leads to changes in alloy structures, thereby altering catalytic performance,” he says.

The A*STAR-affiliated researchers contributing to this research are from the Institute of High Performance Computing
Associated links
http://www.research.a-star.edu.sg/research/6581
Journal information
Tan, T. L., Wang, L. -L., Johnson, D. D. & Bai, K. A comprehensive search for stable Pt−Pd nanoalloy configurations and their use as tunable catalysts. Nano Letters 12, 4875–4880 (2012)

A*STAR Research | Research asia research news
Further information:
http://www.research.a-star.edu.sg/research/6581
http://www.researchsea.com

More articles from Information Technology:

nachricht Engineers develop new methods to speed up simulations in computational grand challenge
27.03.2015 | University of California - San Diego

nachricht Sensor cable monitors fences of all kinds and can even detect low-level drone fly-bys
25.03.2015 | Universität des Saarlandes

All articles from Information Technology >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: FiberLab-Roboter begeistert auf Photonics West in San Francisco

Mit ihrem „humanisierten“ Roboter zeigten Anna Lena Baumann und Wolfgang Schade erstmalig die erfolgreiche Umsetzung der 3D-Navigation über eine neuartige Lasermethode, der Standard Single-Mode-Glasfaser. Mehr als 17.000 Teilnehmer konnten den Roboter und FiberLab, das erste Projekt des Photonik Inkubators in Göttingen, auf der Photonics West in San Francisco kennen lernen.

Mit Hilfe eines in die Kleidung eingenähten Fasersensors wurden Armbewegungen eines Probanden dokumentiert und nach entsprechender Auswertung an den Roboter...

Im Focus: Femto Photonic Production: Neue Verfahren mit Ultrakurzpulslasern für die Fertigung von morgen

Für die deutsche Wirtschaft spielt die Lasertechnik eine herausragende Rolle: Etwa 40 Prozent der weltweit verkauften Strahlquellen und 20 Prozent der Lasersysteme für die Materialbearbeitung stammen aus Deutschland.

Beim Einsatz von Lasern in der Produktion sind deutsche Unternehmen führend. Diese Stärken gilt es zu erhalten und auszubauen. Deswegen hat das...

Im Focus: Theorie der starken Wechselwirkung bestätigt: Supercomputer bestimmt Neutron-Proton-Massendifferenz

Nur weil das Neutron ein klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt und letztlich unsere Existenz ermöglichen.

80 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons ist es einem Team aus Frankreich, Deutschland und Ungarn unter Führung des Wuppertaler Forschers Zoltán Fodor nun...

Im Focus: Neurochip für die Hirnforschung erfolgreich im Markt

Neues Mess- und Stimulationssystem nimmt die Kommunikation von Nervenzellen in Echtzeit auf und ermöglicht damit lang erhoffte Grundlagenforschung

Für die Enträtselung neurologischer und neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer, Depression oder verschiedene Erblindungsformen verspricht ein...

Im Focus: Klassisch oder nicht? Physik der Nanoplasmen

Die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala resultiert in der Erzeugung eines expandierenden Nanoplasmas.

In der Vergangenheit wurde die Dynamik eines Nanoplasmas typischerweise durch klassische Phänomene wie die thermische Emission von Elektronen beschrieben. Im...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

THETIS - Branchentreff für Meeresenergien

27.03.2015 | Veranstaltungen

1. HAMMER BIOENERGIETAGE

27.03.2015 | Veranstaltungen

Technologietag bei der SCHOTT AG - Neue Strukturierungstechnologien für Dünngläser

26.03.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

FiberLab-Roboter begeistert auf Photonics West in San Francisco

27.03.2015 | Physik Astronomie

Quadratische Eiskristalle aus der Nanowelt: Überraschungsfund im „Graphen-Sandwich"

27.03.2015 | Materialwissenschaften

Forschung für nachhaltige Mobilität: Zentrum für Systemzuverlässigkeit / Elektromobilität eröffnet

27.03.2015 | Energie und Elektrotechnik