On the Relationship Between Spontaneous Segregation of Components in Ternary Pt–Pd–Ni Nanoparticles and the Stability of Core–Shell Nanostructures: Molecular Dynamics Study
- Авторлар: Samsonov V.M.1, Talyzin I.V.1, Romanov A.A.1, Puytov V.V.1, Zhigunov D.V.1, Lutsai A.V.1, Nepsha N.I.1, Sdobnyakov N.Y.1
-
Мекемелер:
- Tver State University
- Шығарылым: Том 87, № 4 (2025)
- Беттер: 398-413
- Бөлім: Articles
- ##submission.dateSubmitted##: 06.10.2025
- ##submission.datePublished##: 15.08.2025
- URL: https://journals.rcsi.science/0023-2912/article/view/318383
- DOI: https://doi.org/10.7868/S3034543X25040111
- EDN: https://elibrary.ru/npyyaf
- ID: 318383
Дәйексөз келтіру
Аннотация
Авторлар туралы
V. Samsonov
Tver State University
Email: samsonoff@inbox.ru
Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
I. Talyzin
Tver State UniversityZhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
A. Romanov
Tver State UniversityZhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
V. Puytov
Tver State UniversityZhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
D. Zhigunov
Tver State UniversityZhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
A. Lutsai
Tver State UniversityZhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
N. Nepsha
Tver State UniversityZhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
N. Sdobnyakov
Tver State University
Email: nsdobnyakov@mail.ru
Zhelyabova St., 33, Tver, 170100 Russia
Әдебиет тізімі
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Андриевский Р.А. Термическая стабильность наноматериалов // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 10. С. 967–981. https://doi.org/10.1070/RC2002v071n10ABEH000723
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- Borbón L.O.P. Computational studies of transition metal nanoalloys. Berlin: Springer-Verlag. 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18012-5
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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.
- Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford: Oxford University Press, 2017. https://doi.org/10.1093/oso/9780198803195.001.0001
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- Физические величины: Справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991.
- 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.
- 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
- 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
Қосымша файлдар
