Study of bimetallic silver-cobalt phosphide nanoparticles using in situ TEM

Abstract

Achieving efficient production of hydrogen through the hydrogen evolution reaction
is an attractive source of non-fossil fuel. However, this reaction is inefficient and therefore requires catalysts with the most commonly used one being Pt. Due to
the high cost and rarity of Pt, research into alternative catalyst materials such as transition metal phosphides has been conducted in the recent years. An example
of such materials are cobalt phosphides, which could serve as a more cost-efficient
and abundant alternative to the noble metal. Furthermore, it is theorized that the
catalytic activity of cobalt phosphide compounds can be enhanced due to synergy effects when combined with Ag in bimetallic nanoparticles. The physical and chemical properties of the Ag-Co-P nanoparticles can be tuned by varying composition, morphology and crystal structure. However, the impact of synthesis conditions on morphology, composition and crystal structure is not yet well understood. In this thesis, the effect of formation of Ag-Co-P nanoparticles was investigated by examining the phosphorization of Ag-Co nanoparticles with two different compositions in situ. This was done by supplying phosphine gas to bimetallic Ag-Co nanoparticles and investigating them in real time using an environmental transmission electron microscope. By performing the synthesis at a variety of different phosphine flows it was possible to observe that the rate of compositional transformation of Co to CoP compounds correlated with phosphine flow. However, the phosphine flow had little to no impact on the specific composition or crystal structure of the resulting nanoparticles. The nanoparticles appeared polycrystalline and one crystal structure consistently identified was orthorhombic CoP. It was however found that increasing the temperature of the sample after the transformation could change the composition and crystal structure of the nanoparticles. The morphology of the nanoparticles after transformation was found to be different depending on the composition of the bimetallic particles before phosphine was supplied, where a core/shell-like structure was observed for nanoparticles with a smaller fraction of Ag. The results of this project provides a base for further investigations of bimetallic Ag-Co-P nanoparticles and development of advanced nanoparticle catalysts for the hydrogen evolution reaction.

Popular Abstract (Swedish)

Nya katalysatormaterial för vätgasproduktion

I kampen mot de pågående klimatförändringarna behöver vi byta ut fossila bränslen mot hållbara alternativ. Med hjälp av avancerade mikroskop kan man studera nya partiklar som kan bli viktiga i framställningen av förnybart bränsle.

Ett attraktivt alternativ på förnybart bränsle är vätgas, eftersom det enda utsläppet som bildas vid förbränningen är vattenånga. Vätgas kan tillverkas genom att dela upp vattenmolekyler i syrgas och vätgas. Problemet är att man behöver tillsätta extra energi för att detta ska hända. Det finns dock metoder att minska mängden extra energi som behöver tillsättas, genom att använda en katalysator! En katalysator är ett material som påskyndar kemiska reaktioner, till exempel de som krävs för att framställa vätgas, utan att själv förändras eller förbrukas.

Idag kan vi använda metallen platina som en katalysator när vi framställer vätgas. Problemet med platina är att det är ett dyrt material och att tillgången är begränsad. Tidigare forskning har visat att koboltfosfid kan vara ett alternativt katalysatormaterial, eftersom det är ett billigare material som det finns mycket av. Problemet med koboltfosfid är att det ännu inte är en riktigt lika bra katalysator som platina. Därför behöver man förbättra den katalytiska förmågan hos koboltfosfid. Man tror att det går att göra genom att kombinera koboltfosfid med en ädelmetall, till exempel silver. Det finns ett ordspråk om samarbete som säger att tillsammans är vi starkare, och detsamma kan faktiskt gälla material. När vi kombinerar två olika metaller i en och samma partikel, så kallade bimetalliska partiklar, så kan kombinationen av deras egenskaper överträffa vad som är möjligt för de enskilda materialen.

Ytterligare en fördel med bimetalliska partiklar är att deras egenskaper kan ändras beroende på hur partikeln är uppbyggd. Till exempel så kan man variera mängderna av materialen i partikeln, hur atomerna i partikeln är arrangerade och vilken form partikeln har, och på så sätt finjustera partikelns egenskaper. När det kommer till partiklar av silver och koboltfosfid så vet vi ännu inte vilken uppbyggnad som är den bästa för katalys. Men innan vi kan göra experiment för att hitta den optimala uppbyggnaden, behöver vi först lära oss hur man kontrollerar sammansättningen, atomarrangemanget och formen när vi skapar partiklarna. I det här arbetet undersökte jag hur man kan påverka partiklarnas uppbyggnad när de tillverkas, det vill säga i syntesen av partiklarna. Mer specifikt så tillsatte jag gasen fosfin till silver-koboltpartiklar och undersökte hur partiklarna då omvandlades till silver-koboltfosfid.

För att kunna se partiklarna i syntesen användes ett avancerat elektronmikroskop. Till skillnad från ett vanligt ljusmikroskop, så belyser det avancerade mikroskopet partiklarna med en elektronståle. I ett sånt här elektronmikroskop kan man urskilja enskilda atomer och därför se hur de är arrangerade. Elektronmikroskopet som användes i det här projektet har dessutom system för att styra temperaturen och tillföra olika gaser till partiklarna. Det innebär att jag kunde se hur kobolten i partiklarna omvandlades till koboltfosfid genom att tillsätta en fosfor-gas i mikroskopet. På så sätt undersöktes hur olika parametrar i syntesen påverkade partiklarnas sammansättning, atomarrangemang och form. Resultaten visade att flödet av fosfin-gasen påverkade hur snabbt partiklarna omvandlades, men inte deras sammansättning eller atomarrangemang. Jag upptäckte också ett samband mellan mängden silver i partiklarna och deras form efter omvandlingen.

I framtiden kan den här kunskapen användas för att tillverka partiklar av silver och koboltfosfid med varierande uppbyggnad och sedan testa deras katalytiska förmåga. Förhoppningen är att man då kan optimera partiklarna så att de blir bättre katalysatorer, och på så sätt framställa förnybar vätgas som i längden kan ersätta fossila bränslen.

• author: Brink, Fanny
• supervisor: Kshipra Sharma; Kimberly Dick Thelander
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: ETEM, in situ, HER: cobalt phosphide, materials chemistry
• language: English
• id: 9184788
• date added to LUP: 2025-02-13 09:00:18
• date last changed: 2025-02-13 09:00:18