Ingeniører finder en måde at kontrollere kemiske katalysatorer med skulpturelt lys

Som en person, der bryder en kattekamp, katalysatorernes rolle i en kemisk reaktion er at fremskynde processen - og komme ud af den intakt. Og, ligesom ikke alle hus i et kvarter har nogen, der er villige til at gribe ind i en sådan kamp, ikke alle dele af en katalysator deltager i reaktionen. Men hvad nu hvis man kunne overbevise de uengagerede dele af en katalysator om at blive involveret? Kemiske reaktioner kan forekomme hurtigere eller mere effektivt.

Materialeforskere ved Stanford University ledet af Jennifer Dionne har gjort netop det ved at bruge let og avanceret fremstilling og karakteriseringsteknikker til at skænke katalysatorer nye evner.

I et proof-of-concept eksperiment, stænger af palladium, der var ca. 1/200 af bredden af ​​et menneskehår, fungerede som katalysatorer. Forskerne placerede disse nanoroder over guldnanobarer, der fokuserede og "skulpterede" lyset omkring katalysatoren. Dette skulpturelle lys ændrede regionerne på nanoroderne, hvor kemiske reaktioner - som frigiver brint - fandt sted. Dette arbejde, udgivet 14. januar i Videnskab, kunne være et tidligt skridt mod mere effektive katalysatorer, nye former for katalytiske transformationer og potentielt endda katalysatorer, der er i stand til at opretholde mere end én reaktion på én gang.

"Denne forskning er et vigtigt skridt i realiseringen af ​​katalysatorer, der er optimeret fra atomskala til reaktorskala, "sagde Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik, der er seniorforfatter af papiret. "Målet er at forstå, hvordan med den passende form og sammensætning, vi kan maksimere det reaktive område af katalysatoren og kontrollere, hvilke reaktioner der forekommer. "

Et minilaboratorium

Blot at kunne observere denne reaktion krævede et ekstraordinært mikroskop, i stand til at afbilde en aktiv kemisk proces i ekstremt lille skala. "Det er svært at observere, hvordan katalysatorer ændrer sig under reaktionsbetingelser, fordi nanopartiklerne er ekstremt små, "sagde Katherine Sytwu, en tidligere kandidatstuderende i Dionne -laboratoriet og hovedforfatter af papiret. "Atomskalaegenskaberne ved en katalysator dikterer generelt, hvor en transformation sker, og derfor er det afgørende at skelne mellem, hvad der sker inden for den lille nanopartikel. "

Til denne særlige reaktion - og de senere eksperimenter med at kontrollere katalysatoren - skulle mikroskopet også være kompatibelt med introduktion af gas og lys i prøven.

For at opnå alt dette, forskerne brugte et miljøtransmissionselektronmikroskop på Stanford Nano-Shared Facilities med en særlig vedhæftet fil, tidligere udviklet af Dionne lab, at introducere lys. Som deres navn antyder, transmissionselektronmikroskoper bruger elektroner til billedprøver, som giver mulighed for et større forstørrelsesniveau end et klassisk optisk mikroskop, og miljøfunktionen i dette mikroskop betyder, at gas kan tilføjes til det, der ellers er et luftløst miljø.

"Du har stort set et mini-laboratorium, hvor du kan lave eksperimenter og visualisere, hvad der sker på et næsten atomært niveau, "sagde Sytwu.

Under visse temperatur- og trykforhold, brintrig palladium frigiver sine hydrogenatomer. For at se, hvordan lys ville påvirke denne standard katalytiske transformation, forskerne tilpassede en guldnanobar-designet ved hjælp af udstyr på Stanford Nano-Shared Facilities og Stanford Nanofabrication Facility-til at sidde under palladium og fungere som en antenne, indsamle det indgående lys og trække det til den nærliggende katalysator.

"Først var vi nødt til at forstå, hvordan disse materialer omdannes naturligt. Derefter, vi begyndte at tænke på, hvordan vi kunne ændre og faktisk kontrollere, hvordan disse nanopartikler ændres, "sagde Sytwu.

Uden lys, de mest reaktive punkter ved dehydrogeneringen er de to spidser af nanoroden. Reaktionen bevæger sig derefter gennem nanoroden, springer brint ud undervejs. Med lys, imidlertid, forskerne var i stand til at manipulere denne reaktion, så den rejste fra midten udad eller fra den ene spids til den anden. Baseret på placeringen af ​​guldnanobaren og belysningsforholdene, det lykkedes forskerne at producere en række alternative hotspots.

Obligationsbrud og gennembrud

Dette arbejde er en af ​​de sjældne tilfælde, der viser, at det er muligt at justere, hvordan katalysatorer opfører sig, selv efter at de er fremstillet. Det åbner et betydeligt potentiale for at øge effektiviteten på enkeltkatalysatorniveau. En enkelt katalysator kan spille rollen for mange, ved hjælp af lys til at udføre flere af de samme reaktioner på tværs af dets overflade eller potentielt øge antallet af reaktionssteder. Lysstyring kan også hjælpe forskere med at undgå uønskede, fremmede reaktioner, der undertiden forekommer ved siden af ​​de ønskede. Dionnes mest ambitiøse mål er at en dag udvikle effektive katalysatorer, der er i stand til at nedbryde plast på et molekylært niveau og omdanne det til dets kildemateriale til genbrug.

Dionne understregede, at dette arbejde, og hvad der nu kommer, ville ikke være muligt uden de fælles faciliteter og ressourcer, der er tilgængelige på Stanford. (Disse forskere brugte også Stanford Research Computing Center til at lave deres dataanalyse.) De fleste laboratorier har ikke råd til at have dette avancerede udstyr alene, så deling øger adgangen og ekspertunderstøttelse.

"Det, vi kan lære om verden, og hvordan vi kan muliggøre det næste store gennembrud, aktiveres så kritisk af delte forskningsplatforme, "sagde Dionne, som også er senior associeret viceprovost for forskningsplatforme/fælles faciliteter. "Disse rum tilbyder ikke kun vigtige værktøjer, men et virkelig fantastisk forskersamfund. "