Lys for enden af ​​nanotunnelen til fremtidige katalysatorer

Ved at bruge en ny type nanoreaktor, forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har kortlagt katalytiske reaktioner på individuelle metalliske nanopartikler. Deres arbejde kunne forbedre kemiske processer, og føre til bedre katalysatorer og mere miljøvenlig kemisk teknologi. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Naturkommunikation .

Katalysatorer øger hastigheden af ​​kemiske reaktioner. De spiller en afgørende rolle i mange vigtige industrielle processer, herunder fremstilling af brændstoffer og medicin, og begrænsning af skadelige køretøjsemissioner. De er også væsentlige byggesten til nye bæredygtige teknologier som brændselsceller, der genererer elektricitet gennem en reaktion mellem ilt og brint. Katalysatorer kan også bidrage til at nedbryde miljøgifte ved at rense giftige kemikalier fra vand, for eksempel.

At designe mere effektive katalysatorer til fremtiden, grundlæggende viden er nødvendig, såsom forståelse af katalyse på niveau med individuelle aktive katalytiske partikler.

For at visualisere vanskeligheden ved at forstå katalytiske reaktioner i dag, forestil dig et publikum til en fodboldkamp, hvor en række tilskuere tænder blus. Røgen breder sig hurtigt, og når en røgsky har dannet sig over mængden, det er næsten umuligt at sige, hvem der rent faktisk tændte blusset, eller hvor kraftigt hver enkelt brænder. De kemiske reaktioner i katalyse foregår på en sammenlignelig måde. Millioner af individuelle partikler er involveret, og det er i øjeblikket meget vanskeligt at spore og bestemme rollerne for hver enkelt, herunder hvor effektive de er, og hvor meget de hver især har bidraget til reaktionen.

Det er derfor nødvendigt at undersøge den katalytiske proces på niveau med individuelle nanopartikler. Det har den nye nanoreaktor givet Chalmers-forskerne mulighed for. Reaktoren består af omkring 50 glas nanotunneller fyldt med væske og anbragt parallelt. I hver tunnel, forskerne placerede en enkelt guld nanopartikel. Selvom de er af samme størrelse, hver nanopartikel har forskellige katalytiske kvaliteter - nogle er yderst effektive, andre afgjort mindre optimale. At være i stand til at skelne, hvordan størrelse og nanostruktur påvirker katalyse, forskerne målte katalyse på partiklerne individuelt.

"Vi sendte to typer molekyler ind i nanotunnellerne, som reagerer med hinanden. Den ene molekyletype er fluorescerende og udsender lys. Lyset slukkes først, når det møder en partner af den anden type på overfladen af ​​nanopartiklerne. og der sker en kemisk reaktion mellem molekylerne. At observere denne udryddelse af 'lyset for enden af ​​nanotunnelen' nedstrøms for nanopartiklerne gjorde det muligt for os at spore og måle effektiviteten af ​​hver nanopartikel til at katalysere den kemiske reaktion, siger Sune Levin, ph.d.-studerende ved Institut for Biologi og Bioteknologi på Chalmers Tekniske Universitet, og hovedforfatter af den videnskabelige artikel.

Han udførte forsøgene under vejledning af professorerne Fredrik Westerlund og Christoph Langhammer. Den nye nanoreaktor er et resultat af et bredt samarbejde mellem forskere på flere forskellige afdelinger på Chalmers.

"Effektiv katalyse er afgørende for både syntese og nedbrydning af kemikalier. F.eks. katalysatorer er nødvendige til fremstilling af plast, medicin og brændstoffer på den bedste måde, og effektivt nedbryde miljøgifte, siger Fredrik Westerlund, Professor ved Institut for Biologi og Bioteknologi på Chalmers.

Udvikling af bedre katalysatormaterialer er nødvendigt for en bæredygtig fremtid, og der er store sociale og økonomiske gevinster at hente.

"Hvis katalytiske nanopartikler kunne raffineres optimalt, samfundet kan drage stor fordel. I den kemiske industri f.eks. at gøre visse processer blot nogle få procent mere effektive kan føre til en markant øget omsætning, samt drastisk reducerede miljøpåvirkninger, " siger forskningsprojektleder Christoph Langhammer, Professor ved Institut for Fysik på Chalmers.