Материаловеды Стэнфордского университета под руководством Дженнифер Дионн сделали именно это, используя легкие и передовые методы изготовления и характеристики, чтобы наделить катализаторы новыми возможностями.
В экспериментальном эксперименте палладиевые стержни размером примерно 1/200 ширины человеческого волоса служили катализаторами. 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, в результате которых выделяется водород. Эта работа, опубликованная янв.
14 в науке, может быть первым шагом к более эффективным катализаторам, новым формам каталитических превращений и, возможно, даже к 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, старший автор статьи. «Цель состоит в том, чтобы понять, как с помощью подходящей формы и состава мы можем максимизировать реактивную площадь катализатора и контролировать, какие реакции происходят."
Мини-лаборатория
Чтобы просто наблюдать эту реакцию, требовался исключительный микроскоп, способный визуализировать активный химический процесс в чрезвычайно малом масштабе. «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 небольшой 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 достичь всего этого, исследователи использовали просвечивающий электронный микроскоп для окружающей среды в Стэнфордском Нано-Совместном Центре со специальным приспособлением, ранее разработанным лабораторией Дионна, чтобы ввести свет.
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 атомы водорода. Чтобы увидеть, как свет повлияет на эту стандартную каталитическую трансформацию, исследователи настроили золотой нанобрус, разработанный с использованием оборудования на Стэнфордском совместном предприятии по нанотехнологиям и Стэнфордском предприятии по производству нанофабрикатов, чтобы он располагался под палладием и действовал как антенна, собирающая падающий свет и направляет его 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 контролировать, как изменяются эти наночастицы », – сказал Ситву.
Без света наиболее реактивными точками дегидрирования являются два конца 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 золотой нанобруски и условиях освещения, исследователям удалось создать множество альтернативных горячих точек.
Разрыв облигаций и прорывы
Эта работа – один из редких примеров, показывающих, что можно настроить поведение катализаторов даже после того, как они были изготовлены. Это открывает значительный потенциал для повышения эффективности на уровне однокатализатора. 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 одновременно с желаемыми.
Самая амбициозная цель Дионна – когда-нибудь разработать эффективные катализаторы, способные разрушать пластик на молекулярном уровне и превращать его обратно в исходный материал для вторичной переработки.
Дионн подчеркнула, что эта работа и все, что будет дальше, были бы невозможны без общих помещений и ресурсов, доступных в Стэнфорде. (Эти исследователи также использовали Стэнфордский исследовательский вычислительный центр для анализа данных.) Большинство лабораторий не могут позволить себе иметь это современное оборудование самостоятельно, поэтому его совместное использование увеличивает доступ и экспертную поддержку.
«То, что мы можем узнать о мире и о том, как мы можем сделать возможным следующий большой прорыв, очень сильно зависит от общих исследовательских платформ», – сказала Дионн, которая также является старшим помощником проректора по исследовательским платформам / совместным объектам. "Эти пространства предлагают не только важные инструменты, но и действительно удивительное сообщество исследователей."