Закономерности структурных превращений в биметаллических наночастицах Pd-Pt
А.Ю. Колосов, Е.С. Митинев, А.А. Тактаров, В.С. Мясниченко, А.Н. Базулев, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.419
Оригинальная статья
Аннотация: Методом молекулярной динамики исследованы процессы плавления и кристаллизации биметаллических наночастиц на основе Pt и Pd. Установлена возможность получения стабильных наночастиц, содержащих 3000 и 4000 атомов, в диапазоне температур от 500 K до 1600 K. Подтверждается концепция, высказанная для монометаллических наночастиц платины и палладия, о возможности фиксации температур начала и конца фазового перехода для плавления и кристаллизации. Анализ показывает, что в процессе охлаждения наночастиц Pd-Pt с первоначально
равномерным распределением компонент наблюдается формирование смешанной структуры с поверхностным монослоем атомов Pd. Показана возможность структурной сегрегации биметаллических наночастиц Pd-Pt, содержащих 3000 и 4000 атомов. Наблюдается размерная зависимость степени кристаллизации охлаждённых наночастиц. Для биметаллических наночастиц c 3000 атомов локальные зоны в основном представляют собой многогранники, в то время как для биметаллических наночастиц содержащих 4000 атомов уже характерно образование протяженных
полосовых структур ГЦК/ГПУ.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, биметаллические наночастицы, платина, палладий, сегрегация, структурные превращения, стабильность
- Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Митинев Егор Сергеевич – студент 1 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Тактаров Антон Алексеевич – студент 1 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Мясниченко Владимир Сергеевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Базулев Анатолий Николаевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Колосов, А.Ю. Закономерности структурных превращений в биметаллических наночастицах Pd-Pt / А.Ю. Колосов, Е.С. Митинев, А.А. Тактаров, В.С. Мясниченко, А.Н. Базулев, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 419-434. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.419.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Kim, C. Characteristics of Pd-Pt nanoparticles with core-shell structure on polybenzimidazole-wrapped graphene for fuel cell electrocatalyst / C. Kim, T. Fujigaya, N. Nakashima // ECS Meeting Abstracts. – 2014. – V. MA2014-02. – I. F3-Polymer Electrolyte Fuel Cells 14 (PEFC 14). – Art. № 1041. DOI: 10.1149/MA2014-02/21/1041.
2. Papandrew, A.B. Vapor-deposited Pt and Pd-Pt catalysts for solid acid fuel cells: short range structure and interactions with the CsH2PO4 / A.B. Papandrew, S.St. John, R.A. Elgammal et al. // Journal of The Electrochemical Society. – 2016. – V. 163. – №. 6. – P. F464-F469. DOI: 10.1149/2.0371606jes.
3. Babar, N.-U.-A. NiPd nano-alloy film as a promising low overpotential electrocatalyst for high activity water oxidation reaction / N.-U.-A. Babar, A. Khan, A.S. Hakeem et al. // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2022. – V. 10. – I. 3. – Art. № 107959. DOI: 10.1016/j.jece.2022.107959.
4. Feng, T. Reaction-driven restructuring of Rh-Pd and Pt-Pd core-shell nanoparticles / T. Feng, M.E. Grass, Y. Zhang et al. // Science. – 2008. – V. 322. – № 5903. – P. 932-934. DOI: 10.1126/science.1164170.
5. Akbarzadeh, H. New molecular insight into the stability of Ni-Pd hollow nanoparticles / H. Akbarzadeh, E. Mehrjouei, A.N. Shamkhali et al. // Inorganic Chemistry Frontiers. – 2017. – V. 4. – I. 10. – P. 1679-1690. DOI: 10.1039/C7QI00370F.
6. Samsonov, V.M. Embedding functions for Pt and Pd: recalculation and verification on properties of bulk phases, Pt, Pd, and Pt-Pd nanoparticles / V.M. Samsonov, A.A. Romanov, A.Yu. Kartoshkin, I.V. Talyzin, V.V. Puytov // Applied Physics A. – 2022. – V. 128. – I. 9. – Art. № 826. – 14 p. DOI: 10.1007/s00339-022-05922-1.
7. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. – Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. – 15.09.2022.
8. Матвеев, А.В. Расчет энергии сегрегации атомов металлов в сплавах на основе палладия / А.В. Матвеев // Вестник Омского университета. – 2012. – №. 2 (64). – С. 94-100.
9. Самсонов, В.М. О размерной зависимости теплоты плавления металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, С.А. Васильев, Д.Н. Соколов // Известия РАН. Серия физическая. – 2016. – Т. 80. – № 5. – С. 547-550. DOI: 10.7868/S0367676516050161.
10. Васильев, С.А. Изучение размерных зависимостей температур плавления и кристаллизации нанокластеров платины методом молекулярной динамики / С.А. Васильев, А.А. Романов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2017. – Вып. 9. – С. 121-127. DOI: 10.26456/pcascnn/2017.9.121.
11. Самсонов, В.М. Термодинамический подход к проблеме размерной зависимости температуры плавления тонких пленок / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, А.Г. Бембель, Д.Н. Соколов, Н.В. Новожилов // Известия РАН. Серия физическая. – 2014. – T. 78. – № 8. – C. 960-963. DOI: 10.7868/S0367676514080316.
12. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи между размерными зависимостями температур плавления и кристаллизации для металлических наночастиц / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, А.Н. Базулев, В.М. Самсонов, Т.Ю. Зыков, А.С. Антонов // Расплавы. – 2012. – №5. – С. 88-94.
13. Guisbiers, G. Size-dependent catalytic and melting properties of platinum-palladium nanoparticles / G. Guisbiers, G. Abudukelimu, D. Hourlier // Nanoscale Research Letters. – 2011. – V. 6. – Art. № 396. – 5 p. DOI: 10.1186/1556-276X-6-396.
14. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. – Тверь: Тверcкой государственный университет, 2018. – 176 с.
15. Сдобняков, Н.Ю. Расчет размерных зависимостей теплот плавления и кристаллизации наночастиц металлов / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, В.С. Мясниченко, А.Н. Базулев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2014. – Вып. 6. – С. 342-348.
16. Gupta, R.P. Lattice relaxation at a metal surface / R.P. Gupta // Physical Review B. – 1981. – V. 23. – I. 12. – P. 6265-6270. DOI: 10.1103/PhysRevB.23.6265.
17. Paz Borbón, L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. – 155 p. DOI: 10.1007/978-3-642-18012-5.
18. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах. Монография / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, С.С. Богданов. – Тверь: Изд-во Тверского государственного университета, 2021. – 168 с.
19. Колосов, А.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07: защищена 25.12.2020; утв. 04.06.2021 / Колосов Андрей Юрьевич. – Тверь: Тверской государственный университет, 2020. – 200 с.
20. Cleri, F. Tight binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – Р. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
21. Massen, C. Geometries and segregation properties of platinum–palladium nanoalloy clusters / С. Massen, T.V. Mortimer-Jones, R.L. Johnston // Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions. – 2002. – I. 23. – P. 4375-4388. DOI: 10.1039/B207847C.
22. Васильев, С.А. Изучение размерных зависимостей теплот плавления и кристаллизации нанокластеров платины и палладия методом молекулярной динамики / С.А. Васильев, А.А. Романов, Н.В. Востров, В.Л. Скопич, К.Г. Савина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 436-442. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.436.
23. Sankaranarayanan, S.K.R.S. Molecular dynamics simulation study of the melting and structural evolution of bimetallic Pd−Pt nanowires / S.K.R.S. Sankaranarayanan, V.R. Bhethanabotla, B. Joseph // Physical Review B. – 2006. – V. 74. – I. 15. – P. 155441-1-155441-12. DOI: 10.1103/PhysRevB.74.155441.
24. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2010. – V. 18. – I. 1. – P. 015012-1-015012-7. DOI: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
25. Palomares-Baez, J.-P. Nanoscale effects on phase separation / J.-P. Palomares-Baez, E. Panizon, R. Ferrando // Nano Letters. – 2017. – V. 17. – I. 9. – P. 5394-5401. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01994.
26. Bogdanov, S. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core-shell nanostructures with binary Ni-Al nanoparticle quenching / S. Bogdanov, V. Samsonov, N. Sdobnyakov et al. // Journal of Materials Science. – 2022. – V. 57. – I. 28. – P. 13467-13480. DOI: 10.1007/s10853-022-07476-2.
27. Perevezentsev, V.N. The theory of evolution of the microstructure of superplastic alloys and ceramics / V.N. Perevezentsev // In: Superplasticity. 60 years after Pearson: proceedings of the conference organized on behalf of the Superplastic Forming Committee of the Manufacturing Division of the Institute of Materials and Held at the University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST), 7-8 December 1994; ed. by N. Ridley. – London: CRC Press, 1995. – P. 51-59.
28. Grammatikopoulos, P. Kinetic trapping through coalescence and the formation of patterned Ag-Cu nanoparticles / P. Grammatikopoulos, J. Kioseoglou, A. Galea et al. // Nanoscale. – 2016. – V. 8. – I. 18. – P. 9780-9790. DOI: 10.1039/C5NR08256K.