Studier af individuelle nanopartikler kan være nøglen til fremtidig katalyse

At studere katalytiske processer på en enkelt nanopartikel ad gangen, i stedet for på flere milliarder samtidigt, som det tidligere har været tilfældet, vil skabe en unik og mere dybdegående forståelse af katalytiske reaktioner på nanopartikler end hidtil muligt – og det vil samtidig lægge fundamentet for en ny og bæredygtig energiteknologi og kemisk syntese. Det er udgangspunktet for et femårigt forskningsprojekt på Chalmers Tekniske Universitet, der er blevet bevilget tæt på 36 millioner SEK fra Knut og Alice Wallenbergs Fond.

"Vi ønsker at producere en helt ny type nanoreaktor, hvor det er muligt at kontrollere transporten af ​​væske eller gas til og fra en enkelt nanopartikel, siger Christoph Langhammer, lektor i kemisk fysik på Chalmers og en af ​​de syv forskere, der skal gennemføre projektet.

Nanoreaktoren består af en forseglbar kanal med en diameter på under hundrede nanometer, hvori en enkelt nanopartikel, hvis størrelse, form og kemisk sammensætning er blevet skræddersyet og analyseret, vil være vedlagt. Når en væske, der indeholder reaktantmolekyler, injiceres i den ene ende af kanalen, vil den interagere med katalysatornanopartiklen, og de molekyler, der skabes i det møde, vil til sidst dukke op fra den anden ende, hvor de kan analyseres.

"Det unikke ved en nanokanal af denne art er, at den opsamler og indeholder produktet af en katalytisk proces, der har fundet sted på én nanopartikel. det koncentrerer de molekyler, der er dannet, til et volumen, der er lille nok til ikke at blive fortyndet i en sådan grad, at de ikke længere kan detekteres. Dermed sikrer det også, at vi virkelig ved, at det, der kommer ud af kanalen, skal være integreret med den specifikke nanopartikel, og at vi kan analysere det. Dette skaber også et direkte link til kvantemekaniske beregninger, som er en integreret del af projektet, da de i dag også kan gøres på basis af én nanopartikel. Dette vil således give os mulighed for at sammenligne første principsberegninger på en enestående direkte måde med vores eksperimenter."

Langhammer håber, at holdet inden for fem år med succes vil have etableret nanoreaktoren som en helt ny måde at studere katalytiske processer på. Den grundlæggende forståelse, der opnås på denne måde, kan efterfølgende være væsentlig, når der skal produceres nye materialer for at skabe en mere miljøvenlig katalyse af industrielle kemikalier og brændstoffer, som for eksempel kan reducere udledningen af ​​kuldioxid eller andre miljøforurening. For at nå dette langsigtede mål, imidlertid, mange små skridt skal tages.

Mærkelig konstellation

"Først skal vi bygge nye instrumenter og, for eksempel, Lær, hvordan du fanger individuelle vådkemisk syntetiserede nanopartikler inde i en nanokanal. Dette er en stor udfordring, og vi bliver nødt til at lære af vores fejl undervejs. Det faktum, at vi har opnået finansiering i fem år, er kritisk, samt muligheden for at have en ret stor gruppe forskere med ekspertise inden for forskellige områder til at arbejde sammen mod de samme mål, siger Langhammer.

De øvrige medlemmer af holdet er Kasper Moth-Poulsen, Hanna Härelind, Anders Hellman, Fredrik Westerlund, Paul Erhart og Henrik Sundén, alt fra fysikken, kemi- eller biologiafdelinger på Chalmers Tekniske Universitet, og som alle er omkring 35-40 år.

"Vi danner en mærkelig konstellation i denne sammenhæng, hvor KAW-projekter generelt drives af veletablerede seniorforskere, " siger Christoph Langhammer. "Vi er, imidlertid, en gruppe meget motiverede, ret unge forskere, der vil arbejde som et team for at udføre banebrydende forskning og skabe et nyt eksperimentelt paradigme inden for katalysevidenskab."