Forskere klemmer katalysatorer inde i værtsmaterialer som et skib i en flaske

Forskere ved Queen Mary University of London har fundet en måde at placere katalysatorer i de mindste porer i forskellige værtsmaterialer, lidt ligesom når modelskibe foldes ud inde i en flaske.

Når materialer er indespærret på denne måde i så lille skala, og uden at bryde værten, de opfører sig anderledes end deres bulkform, en ændring, som forskerne kalder indeslutningseffekten.

I tilfælde af katalysatorer, som er materialer, der fremskynder kemiske reaktioner, indespærring kan føre til højere aktivitet. Det holder partikler godt adskilt, som er nøglen til at forhindre tab af funktion i katalyse, og bevarer deres meget reaktive overflade.

Tilsvarende når et materiale presses på et lille rum, dets elektroner er ikke frie til at bevæge sig så langt som normalt, og materialets lysemissionsfarve kan ændre sig – en effekt, der kunne bruges i mikrolasere.

Denne strategi åbner også op for muligheden for multifunktionelle materialer, hvor enten gæsten og værten laver forskellige ting hver for sig eller, fordi gæsten er indespærret, interaktionerne mellem værten og gæsten kan producere nye egenskaber.

For at illustrere tilgangen, forskerne brugte porøse nanomaterialer, der er som svampe, men med 1 nm lommer indeni, hvor andre molekyler kan passe. Imidlertid, indlæsning af reaktive katalysatorer inde i en nanoporøs vært er udfordrende, fordi reaktionsbetingelserne ofte kan ødelægge værten.

Studiet, udgivet i Naturkommunikation , demonstrerer et koncept, der bruger termodynamik til at overvinde disse problemer. Forskerne indså, at de kan estimere værtens stabilitet under forskellige reaktionsbetingelser.

Forskningen blev udført med University of Cambridge, Dalian Institute of Chemical Physics (Chinese Academy of Sciences), National University of Singapore og University of New South Wales.

Hovedforsker Dr. Stoyan Smoukov, fra Queen Mary University of London, sagde:"Vi havde nogle ideer om, at indeslutning kunne ændre egenskaber, som sådanne ændringer er set i andre systemer. Spørgsmålet var - var der en generel måde, hvorpå vi kunne forsøge at vejlede forskere, så de kunne syntetisere alle slags store gæster med forskellige funktioner - som metaller, metaloxider, sulfider, nitrider - uden at ødelægge værterne?"

Ved hjælp af termodynamiske diagrammer udviklede forskerne et koncept kaldet Pourbaix-Enabled Guest Synthesis (PEGS), hvor betingelser og prækursorforbindelser kan vælges til ikke at ødelægge værterne. De inkluderer et selvstudiesystem, der demonstrerer, hvordan man laver en lang række nye gæst/vært-kombinationsforbindelser.

Medkorresponderende forfatter, Professor Qiang Fu, fra Dalian Institute of Chemical Physics (Chinese Academy of Sciences), tilføjede:"Fra et praktisk perspektiv, PEGS-tilgangen forbinder materialekemi med design af funktionelle materialer til applikationer såsom heterogen katalyse. De indesluttede oxid-nanostrukturer opnået ved PEGS-metoden i dette arbejde kan præsentere forbedret katalytisk ydeevne, hvilket er af stor betydning for design af avancerede oxidkatalysatorer."

En af hovedforfatterne, Tiesheng Wang, fra University of Cambridge, sagde:"Den kommende virkning kan være enorm. Da kvanteteori beskriver naturen på atom-til-subatomisk skala, arbejdet, der hjælper med at opnå nye begrænsede tilstande i små skalaer, kan bidrage til grundlaget for eksperimentelt at udforske kvanteverdenen."