Вісник Львівського університету. Серія фізична 56 (2019) с. 91-102
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.56.2019.91

Моделювання термічної стабільності та плавлення біметалевої наночастинки Ag@Pd

Б. Наталіч, У. Швець, В. Борисюк

У роботі проведене моделювання термічної стабільності біметалевої Ag@Pd наночастинки зі структурою типу "ядро-оболонка", визначена температура плавлення досліджуваного зразка у рамках методів молекулярної динаміки. Розрахунок сил міжатомної взаємодії реалізований методом зануреного атома. Під час моделювання процесу плавлення підвищення температури зразка відбувалося шляхом перемасштабування відповідних швидкостей атомів за допомогою термостату Берендсена в діапазоні температур 250--3000 К. В якості числового параметру, що описував зміни у структурі наночастинки, використаний показник Ліндемана. За результатами дослідження одержані температурні залежності показника Ліндемана та середньої потенціальної енергії, а також радіальні функції розподілу для Ag@Pd наночастинки за різних значень температури. Побудовані атомістичні конфігурації зразка та досліджена динаміка зміни його структури, наведений розподіл атомів по об'єму зразка відповідно до значення показника Ліндемана поблизу температури плавлення. Видно, що плавлення Ag@Pd наночастинки сферичної форми починалося на поверхні зразка, а також в ядрі, що складалося з атомів срібла. Проведені розрахунки дали можливість одержати значення температури, поблизу якого відбувалося руйнування кристалічної структури досліджуваної наночастинки. Досліджений вплив розподілу концентрацій атомів Ag і Pd, а також розмірів Ag@Pd наночастинки на температурну стабільність.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Mejia-Rosales S. J. Two-stage melting of Au-Pd nanoparticles / S. J. Mejia-Rosales, C. Fernandez-Navarro, E. Perez-Tijerina [et al.] // Phys. Chem. B. -- 2006. -- Vol. 110, \No 26. -- Р. 12884--12889, https://doi.org/10.1021/jp0614704.
  2. Tsuji M. Crystal Structures and growth mechanisms of Au@Ag core-shell nanoparticles prepared by the microwave-polyol method / M. Tsuji, N. Miyamae, S. Lim [et al.] // Cryst. Growth Des. -- 2006. -- Vol. 6, \No 8. -- Р. 1801--1807, https://doi.org/10.1021/cg060103e.
  3. Baek S.--W. Au@Ag core-shell nanocubes for efficient plasmonic light scattering effect in low bandgap organic solar cells / S.--W. Baek, G. Park, J. Noh [et al.] // ACS Nano. -- 2014. -- Vol. 8, \No 4. -- Р. 3302--3312, https://doi.org/10.1021/nn500222q.
  4. Chaudhuri R. Gh. Core/shell nanoparticles: classes, properties, synthesis mechanisms, characterization, and applications / R. Gh. Chaudhuri, S. Paria // Chem. Rev. -- 2012. -- Vol. 112, \No 4. -- Р. 2373--2433, https://doi.org/10.1021/cr100449n.
  5. Мудрак І. М. Електрофізичні та теплофізичні властивості наносистеми із структурою "ядро-оболонка" AgI/SiO2 / І. М. Мудрак, Л. П. Сторожук, С. М. Махно [та ін.] // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. -- 2012. -- Т. 10, \No 4.-- P. 819--827.
  6. Abdel-Fattah W. I. Synthesis of biogenic Ag@Pd core-shell nanoparticles having anti-cancer/anti-microbial functions / W. I. Abdel-Fattah, M. M. Eid, Sh. I. Abd El-Moez [et al.] // Life Sci. -- 2017. -- Vol. 183. -- P. 28--36, https://doi.org/10.1016/j.lfs.2017.06.017.
  7. Alayoglu S. Surface composition and catalytic evolution of Aux Pd1-x (x = 0.25, 0.50 and 0.75) nanoparticles under CO/O2 reaction in torr pressure regime and at 200\circ C / S. Alayoglu, F. Tao, V. Altoe [et al.] // Catal. Lett. -- 2011. -- Vol. 141, \No 5. -- Р. 633--640, https://doi.org/10.1007/s10562-011-0565-7.
  8. Yu W.--Y. Selective hydrogen production from formic acid decomposition on Pd-Au bimetallic surfaces / W.-Y. Yu, G. M. Mullen, D. W. Flaherty [et al.] // J. Am. Chem. Soc. -- 2014. -- Vol. 136, \No 31. -- Р. 11070--11078, https://doi.org/10.1021/ja505192v.
  9. Metin O. Monodisperse Ag/Pd core/shell nanoparticles assembled on reduced graphene oxide as highly efficient catalysts for the transfer hydrogenation of nitroarenes / O. Metin, H. Can, K. Sendil [et al.] // J. Colloid Interface Sci. -- 2017. -- Vol. 498. -- P. 378--386, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.03.066.
  10. Tedsree K. Hydrogen production from formic acid decomposition at room temperature using a Ag-Pd core-shell nanocatalyst / K. Tedsree, T. Li, S. Jones [et al.] // J. Nat. Nanotech. -- 2011. --Vol. 6.-- P. 302--307,https://doi.org/10.1038/nnano.2011.42.
  11. Туранская С. П. Синтез, свойства и применение в экспериментальной медицине и биологии магниточувствительных нанокомпозитов, содержащих благородные металлы / С. П. Туранская, А. Д. Четыркин, И. В. Дубровин [и др.] // Поверхность. -- 2011. --T. 3.-- P. 343--366.
  12. Park S. Y. Antibacterial metal-fiber hybrid with covalent assembly of silver and palladium nanoparticles on cellulose fibers / S. Y. Park, S.-Ye. Ryu, S.-Ye. Kwak // International Conference on Biology, Environment and Chemistryational Conference on Biology, Environment and Chemistry IPCBEE (IACSIT Press, Singapore). -- 2011. --V. 1.-- P. 183--186.
  13. Abdel-Fattah W. I. Synthesis of biogenic Ag@Pd core-shell nanoparticles having anti-cancer/anti-microbial functions / W. I Abdel-Fattah, A. S. M. Sallam, N. A. Attawa [et al.]. // Materials Research Express. -- 2014. -- Vol. 1, \No 3. -- P. 035024, https://doi.org/10.1088/2053-1591/1/3/035024.
  14. Li D. Ch. Ch. Core-shell Au@Pd nanoparticles with enhanced catalytic activity for oxygen reduction reaction via core-shell Au@Ag/Pd constructions / D. Ch. Ch. Li, H. Liu, F. Ye [et al.] // Sci Rep-UK -- 2015. -- Vol. 5. -- P. 11949, https://doi.org/10.1038/srep11949.
  15. Zhanga T. Preparation and characterization of Ag-Pd bimetallic nano-catalysts in thermosensitive microgel nano-reactor / T. Zhanga, L. Li, Zh. Yea [et al.] // RSC Adv. -- 2018. -- Vol. 8. -- P. 18252--18259, https://doi.org/10.1039/C8RA02563K.
  16. Zhanga B. Ag-Pd and CuO-Pd nanoparticles in a hydroxyl-group functionalized ionic liquid: synthesis, characterization and catalytic performance / B. Zhang, Y. Yuan, K. Ph. N. Yan // Catal. Sci. Technol. -- 2015. -- Vol. 5. -- P. 1683--1692, https://doi.org/10.1039/C4CY01382D.
  17. Alarifi H. A. Determination of complete melting and surface premelting points of silver nanoparticles by molecular dynamics simulation / H. A. Alarifi, M. Atis, C. Ozdogan [et al.] // J. Phys. Chem. C. -- 2013. -- Vol. 117, \No 23. -- Р. 12289--12298, https://doi.org/10.1021/jp311541c.
  18. Yang Zh. Molecular dynamics simulation of the melting behavior of Pt-Au nanoparticles with core-shell structure / Zh. Yang, X. Yang, Zh. Xu // J. Phys. Chem. C. -- 2008. -- Vol. 112, \No 13. -- Р. 4937--4947, https://doi.org/10.1021/jp711702y.
  19. Kart H. H. Physical properties of Cu nanoparticles: a molecular dynamics study / H. H. Kart, H. Yildirim, S. O. Kart [et al.] // Mat. Chem. Phys. -- 2014. -- Vol. 147, \No 1--2. -- P. 204--212, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.04.030.
  20. Lu Sh. Melting behaviors of CoN (N = 13, 14, 38, 55, 56) clusters / Sh. Lu, J. Zhang, H. Duan // Chem. Phys. -- 2009. -- Vol. 363, \No 1--3. -- P. 7--12, https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2009.06.010.
  21. Essajai R. Molecular dynamics study of melting properties of gold nanorods / R. Essajai, N. Hassanain // J. Mol. Liq. -- 2018. -- Vol. 261. -- P. 402--410, https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.04.051.
  22. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO -- the open visualization tool / A. Stukowski // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. -- 2010. -- Vol. 18, \No 1. -- Р. 015012, https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  23. Berendsen H. J. C. Molecular dynamics with coupling to an external bath / H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren [et al.] // J.Chem. Phys. -- 1984. -- Vol. 81, \No 8. -- Р. 3684, https://doi.org/10.1063/1.448118.
  24. Baskes M. I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities / M. I. Baskes // Phys. Rev. B. -- 1992. Vol. 46, \No 5. -- Р. 2727, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.2727.
  25. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics / S. Plimpton // J. Comput. Phys. -- 1995. -- Vol. 117, \No 1. -- P. 1--19, https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039.
  26. Zhang K. Melting and premelting of carbon nanotubes / K. Zhang, G. M. Stocks, J. Zhong // Nanotechnology. -- 2007. -- Vol. 18, \No 28. -- P. 285703, https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/28/285703.
  27. Rapaport D. C. The art of molecular dynamics simulation / D. C. Rapaport // NY: Cambridge University Press. -- 2004.
  28. Hammond C. R. The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition / C. R. Hammond // CRC press. -- 2000.