Kemikere følger molekyler ned i nanowellene, spore katalytiske reaktioner i nanokonference

Kemikere har målt virkningerne af nanokonfinering i katalyse ved at spore enkeltmolekyler, når de dykker ned "nanowells" og reagerer med katalysatorer i bunden.

Brøndene i disse forsøg er kun i gennemsnit 2,3 milliarder af en meter brede og omkring 80 til 120 milliarder af en meter dybe. Disse bittesmå kanaler giver adgang til en platinkatalysator, der er klemt mellem de faste kerner og porøse skaller af silica -kugler. Og de hjælper et team af kemikere med at forstå, hvordan sådan nanokonklusion af katalysatorer påvirker reaktioner.

Tidligere undersøgelser af reaktionerne har været begrænset til teoretisk arbejde med forenklede modeller og eksperimenter efter en samling af molekyler. Denne undersøgelse var i stand til at indsamle enkeltmolekylære data, fordi eksperimentet skabte et fluorescerende molekyle, der kunne tændes, afbildet og sporet - selv i nanokonklusion.

"Denne nanokonklusionseffekt er ikke godt forstået, især på et kvantitativt niveau, "sagde Wenyu Huang, en lektor i kemi ved Iowa State University og en lektor i U.S. Department of Energy's Ames Laboratory.

Et nyt papir, der for nylig blev offentliggjort online af tidsskriftet Naturkatalyse rapporterer, at I dette tilfælde, "reaktionshastigheden øges betydeligt i nærvær af nanokonklusion, "skrev Huang og et team af medforfattere.

Huang og Ning Fang, lektor i kemi ved Georgia State University i Atlanta, er hovedforfattere af papiret. Et tre år, $ 550, 000 tilskud fra National Science Foundation støttede projektet.

Huangs Iowa State lab oprettet, studeret og beskrevet de flerlagede kugler og deres nanowells af foreskrevet længde. Fangs laboratorium i Georgia State brugte laser- og mikroskopisk billeddannelsesteknologi til at spore molekylerne og måle reaktionerne.

Det var en stor udfordring for forskerne. Sådanne målinger var aldrig blevet udført eksperimentelt "på grund af de tilsyneladende uoverstigelige tekniske udfordringer ved at spore enkeltmolekyler dynamisk i komplekse nanoporøse strukturer under reaktionsbetingelser, "skrev kemikerne i deres papir.

De, imidlertid, udtænkt en eksperimentel teknik, der med succes spores mere end 10, 000 molekylbaner for en model katalytisk reaktion. (Reaktionen involverede et molekyle kaldet amplexrød, der reagerede med hydrogenperoxid på overfladen af ​​platin -nanopartikler for at generere et produktmolekyle kaldet resorufin, som er et meget fluorescerende molekyle.)

Ud over at finde ud af, at nanokonfinering øgede reaktionshastigheden, eksperimenterne viste, at der var mindre vedhæftning af molekylerne til overfladen af ​​platin -nanopartiklerne.

Nu hvor de har demonstreret deres eksperimentelle teknikker og gjort indledende konklusioner, kemikerne planlægger at udvide deres projekt.

"Når vi forstår denne model, vi kan se på mere komplicerede reaktioner, "Sagde Huang.

Og det kan føre til bedre katalysatorer.

Som kemikerne skrev i deres papir, "Dette arbejde baner vejen for forskning til kvantitativt at differentiere, evaluere og forstå de komplekse nanokonklusionseffekter på dynamiske katalytiske processer, og dermed guide det rationelle design af højtydende katalysatorer. "