Walking the wire:Real-time billeddannelse hjælper med at afsløre aktive steder for fotokatalysatorer

Nanoskala fotokatalysatorer er små, menneskeskabte partikler, der høster energi fra sollys for at producere flydende brændstoffer og andre nyttige kemikalier. Men selv inden for samme batch, partiklerne har en tendens til at variere meget i størrelse, form og overfladesammensætning. Det gør det svært for forskere at fortælle, hvad der egentlig gør arbejdet.

En billedbehandlingsløsning i realtid udviklet ved Washington University i St. Louis kunne hjælpe, som rapporteret i en ny undersøgelse i tidsskriftet ACS -katalyse .

"Udfordringen i at korrelere enkeltmolekyle optiske billeder med specifikke aktive steder i nanoskala-katalysatorer er, at den 10 til 25 nanometer rumlige opløsning, der tilbydes af denne teknik, stadig er i gennemsnit over mange atomer på overfladen af ​​katalysatoren-hvilket gør det vanskeligt at korrelere reaktionshændelser med katalysatorens struktur, "sagde Bryce Sadtler, adjunkt i kemi i kunst og videnskab og medlederforfatter af det nye studie.

Sadtler ønskede at prøve billeddannelse af katalytiske reaktioner ved hjælp af enkeltmolekylær fluorescens lige siden han ankom til Washington University i 2014. Projektet fik et spring i gang, efter at han blev introduceret til Matthew Lew, adjunkt i Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering i McKelvey School of Engineering.

"Efter flere diskussioner med Matt, vi var enige om, at mikroskopihardwaren og billedbehandlingen, han udviklede til mikroopløsning i superopløsning, kunne give et kraftfuldt værktøj til at opnå strukturelle oplysninger om arten af ​​de aktive steder i nanoskala-katalysatorer, der tidligere var uopnåelig, "Sagde Sadtler.

For det nye arbejde rapporteret i ACS -katalyse , forskerne afbildede individuelle kemiske reaktioner, der finder sted på overfladen af ​​enkelte wolframoxid -nanotråde, en type nanoskala fotokatalysator, som Sadtlers gruppe syntetiserede til undersøgelsen.

De brugte to forskellige kemiske journalister, der bliver fluorescerende, eller lyse op, som reaktion på forskellige typer reaktioner på overfladen af ​​nanotråde. Ved at analysere de rumlige mønstre for, hvor disse kemiske reaktioner opstår, de var i stand til at belyse den kemiske struktur af aktive steder på overfladen af ​​nanotråde.

Forskerne fandt ud af, at klynger af iltfrie pladser langs nanotrådsoverfladen aktiverer adsorberede vandmolekyler under den fotokatalytiske generation af hydroxylradikaler - et vigtigt mellemprodukt i produktionen af ​​kemiske brændstoffer, herunder hydrogengas og methanol, fra sollys.

"Mens tidligere undersøgelser har fokuseret på isolerede ilt -ledige stillinger, en type defekt, der er almindelig i metaloxider, resultaterne afslører betydningen af ​​et strukturelt træk - klynger af iltmuligheder - for at opnå høj fotokatalytisk aktivitet, "Sagde Sadtler.

"Denne nye indsigt giver en vej mod at designe fotokatalysatorer med forbedret aktivitet til omdannelse af sollys til brændstof ved at kontrollere fordelingen af ​​iltmuligheder."

Selve resultaterne - og den proces, der blev brugt til at afdække dem - er begge spændende for forskerne.

"Det er altid en drøm at direkte observere de enkelte katalytiske omsætninger på overfladen af ​​faste katalysatorer, mens den katalytiske transformation foregår, "sagde Meikun Shen, en kandidatstuderende i kemi og første forfatter til det nye papir. "Jeg kan kun tale for mig selv, det er min personlige følelse! "

Denne særlige billeddannelsesmetode giver detaljerede rumlige og tidsmæssige oplysninger om den katalytiske proces - noget der normalt er usynligt for forskere som ham, Shen forklarede.

"I denne type eksperimenter, katalysatorens kemiske egenskaber er normalt svære at afsløre, "Sagde Shen." Det lykkedes os at overvinde denne vanskelighed ved at bruge to forskellige molekyler til at undersøge enten aktiviteten eller den kemiske egenskab ved den samme katalysator. Den direkte korrelation, vi observerede, er unik inden for forskningsområdet heterogen katalyse. "