Eksperimenter bekræfter, at strukturelle defekter i periferien er nøglen i katalysatorfunktionen

Defekter og hakkede overflader ved kanterne af nanoserede platin- og guldpartikler er vigtige hotspots for kemisk reaktivitet, et team af forskere, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og det hebraiske universitet i Jerusalem i Israel, bekræftede med en unik infrarød sonde.

Eksperimenter som dette skal hjælpe forskere med at tilpasse katalysatorers strukturelle egenskaber for at gøre dem mere effektive til at fremme kemiske reaktioner.

Studiet, udgivet 11. januar i Natur , er et vigtigt skridt i at beskrive, hvordan nanopartiklers atomstruktur påvirker deres funktion som katalysatorer i kemiske reaktioner. Katalysatorer, som spiller en rolle i produktionen af ​​mange industriprodukter, såsom gødning, brændstof, og plast, er materialer, der kan fremskynde kemiske reaktioner og gøre dem mere effektive, mens de forbliver uændrede i processen.

Forskere har vidst, at materialer kan opføre sig anderledes på nanoskalaen, end de gør i større mængder, og at tilpasning af deres størrelse og form kan forbedre deres egenskaber til specifikke anvendelser. Denne nye teknik præciserede områderne på enkelte metalliske partikler - som måler omkring 100 nanometer - er mest aktive i kemiske reaktioner.

Forskere kombinerede et bredt spektrum af infrarødt lys, produceret af Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), med et atomkraftmikroskop til at afsløre forskellige niveauer af kemisk reaktivitet ved kanterne af enkelte platin- og guldnanopartikler sammenlignet med deres glatte, flade overflader.

De brugte en unik evne ved ALS, kaldet SINS (til synkrotronstrålingsbaseret infrarød nanospektroskopi), at undersøge den detaljerede kemi, der forekommer på overfladen af ​​partiklerne, og opnåede opløsning ned til 25 nanometer.

"Det giver dig mulighed for at se alt dette samspil inden for kemi, "sagde Michael Martin, en højtstående videnskabsmand med ansvar for infrarøde strålelinjer ved ALS. "Det er det, der gør dette specielt."

Hans Bechtel, en forsker ved Berkeley Lab, der arbejder på ALS infrarøde strålelinjer, tilføjet, "Du kan samtidig se reaktanter og de produkter, der dannes i reaktioner."

I forsøget, forskere belagte metalliske partikler med et lag af reaktive molekyler og fokuserede det ALS-producerede infrarøde lys på den lille spids (25 nanometer i dens diameter) af atomkraftmikroskopet.

Mikroskopets spids, i kombination med det meget fokuserede infrarøde lys, fungerede som en ekstremt følsom antenne til at kortlægge overfladestrukturen på individuelle nanopartikler, samtidig med at de afslørede deres detaljerede overfladekemi.

"Vi var i stand til at se det nøjagtige fingeraftryk af molekyler på overfladen af ​​partiklerne og validere en velkendt hypotese inden for katalyse, "sagde Elad Gross, et fakultetsmedlem ved Institut for Kemi og Center for Nanovidenskab og Nanoteknologi ved det hebraiske universitet i Jerusalem, der ledede undersøgelsen sammen med F. Dean Toste, en fakultetsforsker i Chemical Chemical Division ved Berkeley Lab og professor i UC Berkeleys afdeling for kemi.

At kende det præcise energiniveau, der er nødvendigt for at udløse kemiske reaktioner (aktiveringsenergien), er nøglen til optimering af reaktioner, og kan reducere omkostningerne i industriel skala ved at spare på energiforbruget.

"Denne teknik har evnen til ikke kun at fortælle dig, hvor og hvornår en reaktion opstod, men også for at bestemme aktiveringsenergien for reaktionen på forskellige steder, "Gross sagde." Det, du har her, er et værktøj, der kan løse fundamentale spørgsmål inden for katalyseforskning. Vi viste, at områder, der er stærkt defekte på atomniveau, er mere aktive end glatte overflader. "

Denne egenskab vedrører partiklernes lille størrelse, Brutto noteret. "Når partikelstørrelsen reduceres, strukturen er mindre ensartet, og du har flere fejl, " han sagde.

Mindre partikler har større overfladeareal pr. Partikel end større partikler, hvilket betyder, at flere atomer vil være placeret i kanterne. Atomer ved kanterne af partiklerne har færre naboer end dem langs dens glatte overflader, og færre naboer betyder mere frihed til at deltage i kemi med andre elementer.

Da de undersøgte kemiske reaktioner sker meget hurtigt - på mindre end et sekund - og ALS -teknikken kan tage omkring 20 minutter at scanne et enkelt sted på en partikel, forskerne brugte et lag kemisk aktive molekyler, som var fastgjort til overfladen af ​​partiklen, som markører for den katalytiske reaktivitet.

Den katalytiske reaktion i undersøgelsen var analog med, hvad der sker i benzindrevne køretøjers katalysatorer. Katalysatorer bruger platinpartikler og andre materialer til at omdanne biludstødning til mindre giftige emissioner.

Fremtidige forsøg, der er planlagt ved hjælp af SINS -teknikken, vil fokusere på at dokumentere aktive kemiske processer, der bruger kontrollerede strømme af gasser eller væsker til at udløse reaktioner, forskere sagde, og fremtidige eksperimenter kan bruge varierende tryk og temperatur til at måle effekter.

"Jeg tror, ​​at dette bliver et meget interessant værktøj til yderligere eksperimenter og analyser, der kan besvare mange spørgsmål, der ikke kunne besvares før, "Gross sagde." Dette værktøj giver os mulighed for at få bedre opløsning med tre størrelsesordener end nogle andre teknikker, som har åbnet et meget bredt felt for katalyse og overfladekemiske undersøgelser. "

Fremtidige undersøgelser kan også tænkes at kombinere infrarøde og røntgenbaserede metoder på ALS for at indsamle rigere kemisk information, sagde forskere. Der er allerede planer om en ny infrarød strålelinje på ALS, der vil øge kapaciteten og kapaciteterne for infrarøde kemiske undersøgelser og også starte infrarødbaserede 3D-strukturelle undersøgelser på ALS.