On the Relationship Between Spontaneous Segregation of Components in Ternary Pt–Pd–Ni Nanoparticles and the Stability of Core–Shell Nanostructures: Molecular Dynamics Study

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We have performed a comparative study of stability of the core-shell nanostructures Pd5000Ni5000@Pt5000, Pt5000Ni5000@Pd5000, and Pt5000Pd5000@Ni5000 during uniform heating them from 300 to 2200 K. For this purpose, the isothermal molecular dynamics and the LAMMPS software were employed. We have found that all three above homotops keep their core–shell morphology until the onset of melting. However, the ternary Pt5000Ni5000@Pd5000 nanoparticles are found to be more stable: their melting begins at a higher temperature, and they partly inherit the core–shell morphology even after the completion of melting. A conclusion is made about the relationship between the higher stability of PtNi@Pd nanostructures and the effect of the Pd surface segregation in ternary Pt–Pd–Ni nanoparticles. In turn, the pronounced surface segregation of Pd in Pt–Pd–Ni nanoparticles is explained by the fact that just this component is characterized by the lowest value of the specific surface energy.

About the authors

V. M. Samsonov

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

I. V. Talyzin

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

A. A. Romanov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

V. V. Puytov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

D. V. Zhigunov

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

A. V. Lutsai

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

N. I. Nepsha

Tver State University

Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

N. Y. Sdobnyakov

Tver State University

Email: nsdobnyakov@mail.ru
Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia

References

  1. Nazir S., Zhang J.-M., Junaid M., Saleem S., Ali A., Ullah A., Khan S. Metal-based nanoparticles: basics, types, fabrications and their electronic applications // Z. Phys. Chem. 2024. V. 238. № 6. P. 965–995. https://doi.org/10.1515/zpch-2023-0375
  2. Yao C., Yan W., Dong R., Dou S., Yang L. Superlattice assembly strategy of small noble metal nanoparticles for surfaceenhanced Raman scattering // Commun. Mater. 2024. V. 5. P. 65. https://doi.org/10.1038/s43246-024-00506-3
  3. Shahalaei M., Azad A.K., Sulaiman W.M.A.W., Derakhshani A., Mofakham E.B., Mallandrich M., Kumarasamy V., Subramaniyan V. A review of metallic nanoparticles: present issues and prospects focused on the preparation methods, characterization techniques, and their theranostic applications // Front. Chem. 2024. V. 12. P. 1398979. https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1398979
  4. Иванова Е.Н., Алехина М.Б., Дудоладов А.О., Губайдуллина Г.Ф., Чумак К.А. Цеолиты типа Y, модифицированные наночастицами переходных металлов, для выделения аргона из его смеси с кислородом // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2019. T. 55. № 3. С. 247–253. https://doi.org/10.1134/S0044185619030185
  5. Min Y., Wang Y. Manipulating bimetallic nanostructures with tunable localized surface plasmon resonance and their applications for sensing // Front. Chem. 2020. V. 8. P. 411. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00411
  6. Андриевский Р.А. Термическая стабильность наноматериалов // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 10. С. 967–981. https://doi.org/10.1070/RC2002v071n10ABEH000723
  7. Sundaram D., Yang V., Yetter R. Metal-based nanoenergetic materials: Synthesis, properties, and applications // Prog. Energy Comb. Sci. 2017. V. 61. P. 293–365. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.02.002
  8. Sápi A., Rajkumar T., Kiss J. et al. Metallic nanoparticles in heterogeneous catalysis // Catal. Lett. 2021. V. 151. № 1. P. 2153–2175. https://doi.org/10.1007/s10562-020-03477-5
  9. Palaniyandy N., Govindarajan D., Devaraj L., et al. An overview of recent advances in Pt and Pd-based materials: From design strategies to reaction mechanisms // J. Ind. Eng. Chem. 2025. V. 146. P. 213–237. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2024.11.057
  10. Шмидт А.Ф., Курохтина А.А., Ларина Е.В. и др. Особенности действия нанесенных палладиевых катализаторов в реакции Сузуки–Мияуры // Кинетика и катализ. 2023. T. 64. № 1. С. 39–52. https://doi.org/10.31857/S0453881123010082
  11. Бухтияров А.В., Панафидин М.А., Просвирин И.П. и др. Адсорбционно-индуцированная сегрегация в биметаллических катализаторах на основе палладия как способ управления каталитическими свойствами // Успехи химии. 2025. Т. 94. № 1. С. RCR5148. https://doi.org/10.59761/RCR5148
  12. Samsonov V.M., Romanov A.A., Talyzin I.V., et al. Puzzles of surface segregation in binary Pt–Pd nanoparticles: molecular dynamics and thermodynamic simulations // Metals. 2023. V. 13. № 7. P. 1269. https://doi.org/10.3390/met13071269
  13. Лебедева М.В., Яштулов Н.А., Флид В.Р. Нанокатализаторы палладия на комбинированных матрицах-носителях для портативных источников тока // Кинетика и катализ. 2019. T. 60. № 2. С. 147–151. https://doi.org/10.1134/S0453881119020199.
  14. Yanovsky, A.S., Tomilin, S.V. Synthesis and characterization of palladium nanoislands on the silicon surface // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2013. V. 7. P. 140–143. https://doi.org/10.1134/S1027451012080174
  15. Матвеева В.Г., Валецкий П.М., Сульман М.Г. и др. Наноразмерные Pt-, Ru-, Pd-содержащие катализаторы для органического синтеза и решения проблем экологии // Катализ в промышленности. 2011. № 3. С. 51–63.
  16. Ferrando R., Jellinek J., Johnston R.L. Nanoalloys: from theory to applications of alloy clusters and nanoparticles // Chemical Reviews. 2008. V. 108. № 3. P. 845–910. https://doi.org/10.1021/cr040090g
  17. Borbón L.O.P. Computational studies of transition metal nanoalloys. Berlin: Springer-Verlag. 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18012-5
  18. Samsonov V.M., Bembel A.G., Kartoshkin A.Yu., et al. Molecular dynamics and thermodynamic simulations of segregation phenomena in binary metal nanoparticles // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2018. V. 133. № 2. P. 1207–1217. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7245-4
  19. Самсонов В.М., Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Самсонов М.В. Прогнозирование сегрегации в бинарных металлических наночастицах: термодинамическое и атомистическое моделирование // Физика Металлов и Металловедение. 2019. Т. 120. № 6. С. 630–636. https://doi.org/10.1134/S0015323019060111
  20. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., Vasilyev S.A. Surface segregation in binary Cu–Ni and Au–Co nanoalloys and the core–shell structure stability/instability: thermodynamic and atomistic simulations // Applied Nanoscience. 2019. V. 9. № 1. P. 119–133. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0895-5
  21. Samsonov V.M., Romanov A.A., Kartoshkin A.Yu. et al. Embedding functions for Pt and Pd: recalculation and verification on properties of bulk phases, Pt, Pd, and Pt–Pd nanoparticles // Applied Physics A. 2022. V. 128. № 9. P. 826. https://doi.org/10.1007/s00339-022-05922-1
  22. Correia, J.B., de Sa A.I. Simulation of surface segregation in nanoparticles of Pt–Pd alloys // Crystals. 2025. V. 15. № 1. P. 53. https://doi.org/10.3390/cryst15010053
  23. Mendoza-Pérez R., Guisbiers G. Bimetallic Pt–Pd nano-catalyst: size, shape and composition matter // Nanotechnology. 2019. V. 30. № 30. P. 305702. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab1759
  24. Nelli D., Roncaglia C., Ahearn S., et al. Octahedral Growth of PtPd Nanocrystals // Catalysts. 2021. V. 11. № 6. P. 718. https://doi.org/10.3390/catal11060718
  25. Roncaglia C., Ferrando R. Tetrahedral clusters stabilized by alloying // The Journal of Physical Chemistry A. 2024. V. 128. № 1. P. 89–96. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.3c06033
  26. Колосов А.Ю., Митинев Е.С., Тактаров А.А. и др. Закономерности структурных превращений в биметаллических наночастицах Pd–Pt // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2022. Вып. 14. С. 419–434. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2022.14.419
  27. Чепкасов И.В., Гафнер Ю.Я., Высотин М.А., Редель Л.В. Исследование процессов плавления наночастиц Pt−Pd различного типа // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 10. С. 2050–2055. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.10.44979.042
  28. Eom N., Messing M.E., Johansson J., Deppert K. General trends in core–shell preferences for bimetallic nanoparticles // ACS Nano. 2021. V. 15. № 5. P. 8883–8895. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02915
  29. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю. и др. К проблеме стабильности малых объектов на примере молекулярно-динамических моделей металлических наночастиц и наносистем // Коллоидный Журнал. 2024. Т. 86. № 1. С. 118–129. https://doi.org/10.31857/S0023291224010114.
  30. Nanba Y., Koyama M. Element-specific descriptors to predict the stability of binary nanoalloys // Computational Materials Science. 2025. V. 246. P. 113336. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2024.113336
  31. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., et al. On the problem of stability/instability of bimetallic core-shell nanostructures: Molecular dynamics and thermodynamic simulations // Computational Materials Science. 2021. V. 199. P. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
  32. Bogdanov S., Samsonov V., Sdobnyakov N., et al. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core–shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching // Journal of Materials Science. 2022. V. 57. № 28. P. 13467–13480. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07476-2
  33. Романов А.А. Термоиндуцированные структурные превращения в наночастицах Pt, Pd и Pt–Pd: молекулярно-динамическое моделирование // Дис. канд. физ.-мат. наук. Тверской государственный университет. 2022.
  34. Huang R., Wen Y.-H., Zhu Z.-Z., Sun S.-G. Pt–Pd bimetallic catalysts: structural and thermal stabilities of core–shell and alloyed nanoparticles // The Journal of Physical Chemistry C. 2012. V. 116. № 15. P. 8664–8671. https://doi.org/10.1021/jp3015639
  35. Tao F., Grass M.E., Zhang Y., et al. Reaction-driven restructuring of Rh-Pd and Pt–Pd core–shell nanoparticles // Science. 2008. V. 322. № 5903. P. 932–934. https://doi.org/10.1126/science.1164170
  36. Long N.V., Ohtaki M., Hien T.D., et al. A comparative study of Pt and Pt–Pd core–shell nanocatalysts // Electrochimica Acta. 2011. V. 56. № 25. P. 9133–9143. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.07.090
  37. Nelli D., Krishnadas A., Ferrando R., Minnai C. One-step growth of core–shell (PtPd)@Pt and (PtPd)@Pd nanoparticles in the gas phase // The Journal of Physical Chemistry C. 2020. V. 124. № 26. P. 14338–14349. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c02621
  38. Wu Z.-P., Caracciolo D.T., Maswadeh Y., et al. Alloying–realloying enabled high durability for Pt–Pd-3d-transition metal nanoparticle fuel cell catalysts. Nature Communications. 2021. V. 12. P. 859. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21017-6
  39. Kong F., Liu S., Li J., et al. Trimetallic Pt–Pd–Ni octahedral nanocages with subnanometer thick-wall towards high oxygen reduction reaction // Nano Energy. 2019. V. 64. P. 103890. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103890
  40. Zheng T., Wu F., Fu H., et al. Rational design of Pt−Pd−Ni trimetallic nanocatalysts for room-temperature benzaldehyde and styrene hydrogenation // Chemistry – An Asian Journal. 2021. V. 16. № 16. P. 2298–2306. https://doi.org/10.1002/asia.202100472
  41. Wang D., Zhang Y., Zhang K., et al. Rapid synthesis of Palladium-Platinum-Nickel ultrathin porous nanosheets with high catalytic performance for alcohol electrooxidation // Journal of Colloid and Interface Science. 2023. V. 650. № A. P. 350–357. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.06.213
  42. Sdobnyakov N.Yu., Myasnichenko V.S., Cheng-Hung San, Yu-Tsung Chiu, Ershov P.M., Ivanov V.A., Komarov P.V. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates // Materials Chemistry and Physics. 2019. V. 238. P. 121895. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121895
  43. Zhao X., Chen S., Fang Z., et al. Octahedral Pd@Pt1.8Ni core–shell nanocrystals with ultrathin PtNi alloy shells as active catalysts for oxygen reduction reaction // Journal of the American Chemical Society. 2015. V. 137. № 8. P. 2804–2807. https://doi.org/10.1021/ja511596c
  44. Choi S.-I., Shao M., Lu N., et al. Synthesis and characterization of Pd@Pt–Ni core–shell octahedra with high activity toward oxygen reduction // ACS Nano. 2014. V. 8. № 10. P. 10363–10371. https://doi.org/10.1021/nn5036894
  45. Shi W., Park A.-H., Kwon Y.-U. Scalable synthesis of (Pd,Cu)@Pt core–shell catalyst with high ORR activity and durability // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2022. V. 918. P. 116451. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116451
  46. Непша Н.И., Соколов Д.Н., Митинев Е.С. и др. Сценарии структурообразования в тернарных наночастицах на основе Pd–Pt при наличии допанта Ni // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. С. 507–519. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.507
  47. Непша Н.И., Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М. и др. Атомистическое моделирование сегрегации в тернарном наносплаве Pt–Pd–Ni // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2024. № 11. С. 116–124. https://doi.org/10.31857/S1028096024110137.
  48. Samsonov V., Nepsha N., Sdobnyakov N., et al. Chemical and structural segregation in Pt–Pd–Ni ternary nanosystems: molecular dynamics simulation // Materials Chemistry and Physics. 2025. V. 340. P. 130827. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2025.130827
  49. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R., et al. LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales // Computer Physics Communications. 2022. V. 271. P. 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  50. Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers // Physical Review B. 2004. V. 69. № 14. P. 144113. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.144113
  51. Самсонов В.М., Талызин И.В., Васильев С.А. и др. Молекулярно-динамическое моделирование контактного плавления в биметаллических наносистемах // Журнал физической химии. 2025. Т. 99. № 3. С. 141–152.
  52. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford: Oxford University Press, 2017. https://doi.org/10.1093/oso/9780198803195.001.0001
  53. Nose S. A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods // Journal of Chemical Physics. 1984. V. 81. № 1. P. 511–519. https://doi.org/10.1063/1.447334
  54. Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Соколов Д.Н. и др. К проблеме апробации параметров потенциала сильной связи: влияние соотношения между парным и многочастичным взаимодействиями на процесс структурообразования в бинарных наночастицах Pd–Pt // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 399–408. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.399
  55. Соколов Д.Н., Сдобняков Н.Ю., Комаров П.В., Колосов А.Ю. Исследование изменения формы наночастиц золота при фазовом переходе кристалл-жидкость // Ученые записки Орловского государственного университета. 2013. № 3(53). C. 85–90.
  56. Самсонов В.М., Харечкин С.С., Гафнер С.Л. и др. Молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации наночастиц // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 563–569.
  57. Samsonov V.M., Vasilyev S.A., Nebyvalova K.K., et al. Melting temperature and binding energy of metal nanoparticles: size dependences, interrelation between them, and some correlations with structural stability of nanoclusters // Journal of Nanoparticle Research. 2020. V. 22. № 8. P. 247. https://doi.org/10.1007/s11051-020-04923-6.
  58. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Vasilyev S.A., et al. On surface pre-melting of metallic nanoparticles: molecular dynamics study // Journal of Nanoparticle Research. 2023. V. 25. № 6. P. 105. https://doi.org/10.1007/s11051-023-05743-0
  59. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2010. V. 18. № 1. P. 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012
  60. Хоконов Х.Б., Таова Т.М., Алчагиров Б.Б. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение металлов и бинарных сплавов в твердом состоянии // Известия Кабардино-Балкарского университета. 2019. Т. 9. № 2. С. 5–19.
  61. Физические величины: Справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991.
  62. Дерягин Б.В. Определение натяжения смачивающей пленки по высоте капиллярного подъема столба жидкости и построение на его основе теории смачивания и капиллярности // Коллоидный Журнал. 1994. Т. 56. № 1. С. 47–49.
  63. Kaptay G. Modelling equilibrium grain boundary segregation, grain boundary energy and grain boundary segregation transition by the extended Butler equation // Journal of Materials Science. 2016. V. 51. № 4. P. 1738–1755. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9533-8
  64. Kaptay G. Partial surface tension of components of a solution // Langmuir. 2015. V. 31. № 21. P. 5796–5804. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b00217

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».