Процесс, с помощью которого агент изменения или катализатор ускоряет химическую реакцию, является ключом к созданию многих материалов, необходимых для повседневной жизни, таких как пластмассы, топливо и удобрения. Этот процесс, известный как катализ, является основой химической промышленности, делая химические реакции более эффективными и менее энергоемкими, а также сокращая или даже устраняя использование и образование опасных веществ.
Хотя катализаторы используются в промышленности более века, ученым еще предстоит наблюдать, как их структура влияет на их эффективность в качестве агентов изменений. Это потому, что катализаторы обычно представляют собой крошечные металлические наночастицы, сделанные из драгоценных металлов, таких как платина, палладий или рений. Чрезвычайно малый размер, который делает наночастицы такими эффективными катализаторами, также затрудняет понимание того, как они работают.
Если бы ученые могли заглянуть внутрь химических реакций отдельных наночастиц на наноскопическом уровне, они бы собрали кладезь полезных знаний для разработки улучшенных катализаторов, удовлетворяющих насущные потребности в энергии 21 века.Такие знания теперь могут быть под рукой благодаря новому исследованию, опубликованному 11 января в журнале Nature. В новом исследовании под руководством доктора Элада Гросса из Института химии и Центра нанонауки и нанотехнологий Еврейского университета в Иерусалиме и профессора Ф. Дина Тосте из химического колледжа Калифорнийского университета в Беркли. и Отделение химических наук в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли — исследователи впервые непосредственно наблюдали, как металлические наночастицы, используемые в качестве катализаторов во многих промышленных процессах, активируют каталитические процессы.Используя источник света в миллион раз ярче, чем солнце, исследователи смогли наблюдать химическую реакционную способность отдельных частиц платины, аналогичную тем, которые используются в качестве промышленных катализаторов.
Они обнаружили, что химическая активность в основном проявляется на периферии или краях частиц, в то время как более низкая реакционная способность проявляется в центре частиц.Различная реакционная способность, наблюдаемая в центре и на краях частиц платины, соответствует различным свойствам атомов платины в двух местах. Атомы в основном плоские в центре, в то время как они гофрированы и менее упорядочены по краям.
Эта беспорядочная или «дефектная» структура означает, что атомы платины по краям не полностью окружены другими атомами платины и, следовательно, будут образовывать более сильные взаимодействия с молекулами реагентов. Более сильные взаимодействия могут активировать молекулы реагента и инициировать химическую реакцию, которая преобразует молекулу реагента в желаемый продукт.Результаты исследования подтверждают известную в мире катализа гипотезу, согласно которой высокая каталитическая реакционная способность коррелирует с высокой плотностью атомных дефектов.
Это также впервые показывает, что повышенная реакционная способность дефектных сайтов может быть идентифицирована на уровне отдельных частиц.«Наши результаты дают представление о том, как атомная структура катализаторов контролирует их реакционную способность. Эти знания могут помочь в разработке усовершенствованных катализаторов, которые сделают химический процесс более экологичным, за счет уменьшения количества энергии, потребляемой в процессе, и предотвращения образование нежелательных, потенциально опасных продуктов », — сказал д-р Элад Гросс из Института химии и Центра нанонауки и нанотехнологий Еврейского университета в Иерусалиме.
Чтобы заглянуть в отдельные наночастицы, исследователи сфокусировали яркий инфракрасный луч, генерируемый синхротронным источником (Advanced Light Source, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли), в тонкий зонд с диаметром вершины 20 нанометров. Зонд действует как антенна, локализует инфракрасный свет в определенном диапазоне и тем самым дает возможность идентифицировать молекулы, которые находятся на поверхности каталитических наночастиц.
Сканируя частицы с помощью нанометрического зонда, пока они излучаются инфракрасным светом, исследователи смогли определить места и условия, в которых происходит химическая реакция на поверхности отдельной частицы.Еврейский университет в Иерусалиме — ведущее академическое и исследовательское учреждение Израиля, на которое приходится треть всех гражданских исследований в Израиле.
Для получения дополнительной информации посетите http://new.huji.ac.il/en.