Ученые стремятся сделать химические реакции более эффективными, оптимизируя действие катализаторов, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Science.
Роль катализаторов химической реакции состоит в том, чтобы ускорить процесс и выйти из него целыми. При этом, как правило, не все части катализатора участвуют в процессе. Но что, если бы можно было заставить не задействованные части катализатора принять участие? Химические реакции смогут происходить быстрее или эффективнее.
Материаловеды Стэнфордского университета во главе с Дженнифер Дионн сделали именно это, используя легкие и передовые методы изготовления и характеристики, чтобы наделить катализаторы новыми возможностями.
В эксперименте по проверке правильности концепции катализаторами служили палладиевые стержни, ширина которых составляла примерно 1/200 ширины человеческого волоса. Исследователи поместили эти наностержни над золотыми наноразмерными стержнями, которые фокусировали и «формировали» свет вокруг катализатора. Этот скульптурный свет изменил области на наностержнях, где происходили химические реакции с выделением водорода. Эта работа может стать первым шагом к более эффективным катализаторам, новым формам каталитических превращений и, возможно, даже катализаторам, способным поддерживать более одной реакции одновременно.
«Это исследование является важным шагом в реализации катализаторов, оптимизированных от атомных до реакторных, - сказал Дионн, доцент кафедры материаловедения и инженерии, ведущий автор статьи. - Цель состоит в том, чтобы понять, как с соответствующей формой и составом мы можем максимизировать реактивную площадь катализатора и контролировать, какие реакции происходят».
Чтобы просто наблюдать за этой реакцией, требовался исключительный микроскоп, способный визуализировать активный химический процесс в чрезвычайно малых масштабах. «Трудно наблюдать, как катализаторы меняются в условиях реакции, потому что наночастицы чрезвычайно малы, - сказала Кэтрин Ситву, бывшая аспирантка лаборатории Дионна и ведущий автор статьи. - Характеристики катализатора в атомном масштабе обычно определяют, где происходит преобразование, поэтому очень важно различать, что происходит внутри маленькой наночастицы».
Для этой конкретной реакции - и более поздних экспериментов по контролю над катализатором - микроскоп также должен был быть совместим с введением газа и света в образец.
Чтобы добиться всего этого, исследователи использовали просвечивающий электронный микроскоп для окружающей среды в Стэнфордском Нано-Совместном центре со специальной насадкой, ранее разработанной лабораторией Дионна, для проникновения света. Как следует из названия, просвечивающие электронные микроскопы используют электроны для изображения образцов, что обеспечивает более высокий уровень увеличения, чем классический оптический микроскоп, а экологические особенности этого микроскопа означают, что газ может быть добавлен в то, что в противном случае является безвоздушной средой.
«По сути, у вас есть мини-лаборатория, где вы можете проводить эксперименты и визуализировать происходящее на почти атомарном уровне», - сказал Ситву.
При определенных условиях температуры и давления палладий, богатый водородом, высвобождает свои атомы водорода. Чтобы увидеть, как свет повлияет на эту стандартную каталитическую трансформацию, исследователи настроили золотой наноразмерный стержень, разработанный с использованием оборудования на Стэнфордском совместном предприятии по нанотехнологиям и на заводе по производству нанотехнологий в Стэнфорде, чтобы он располагался под палладием и действовал как антенна, собирая входящие потоки света и направляя их к ближайшему катализатору.
«Сначала нам нужно было понять, как эти материалы трансформируются естественным образом. Затем мы начали думать о том, как мы могли бы модифицировать и фактически контролировать, как изменяются эти наночастицы», - сказал Ситву.
Без света наиболее реактивными точками дегидрирования являются две вершины наностержня. Затем реакция проходит через наностержень, по пути выделяя водород. Однако с помощью света исследователи смогли управлять этой реакцией так, чтобы она распространялась от середины наружу или от одного наконечника к другому. Основываясь на расположении золотого наностержня и условиях освещения, исследователям удалось создать множество альтернативных горячих точек.
Эта работа - один из редких примеров, показывающих, что можно
настроить поведение катализаторов даже после их изготовления. Это
открывает значительный потенциал для повышения эффективности на
уровне одного катализатора. Один катализатор может играть роль
многих, используя свет для выполнения нескольких одинаковых
реакций на своей поверхности или потенциально увеличивая
количество участков для реакций. Контроль света также может
помочь ученым избежать нежелательных посторонних реакций, которые
иногда возникают.
[Фото: eurekalert.org]
