science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Door de draad lopen:realtime beeldvorming helpt actieve locaties van fotokatalysatoren te onthullen

Een beeldvormingsoplossing ontwikkeld in samenwerking tussen chemici in Arts &Sciences en ingenieurs van de McKelvey School of Engineering onthult de rol van zuurstofvacatures in de fotokatalytische activiteit van wolfraamoxide-nanodraden. Het nieuwe onderzoek heeft implicaties voor duurzame energieoplossingen. Krediet:Shutterstock

Fotokatalysatoren op nanoschaal zijn klein, door de mens gemaakte deeltjes die energie uit zonlicht halen om vloeibare brandstoffen en andere nuttige chemicaliën te produceren. Maar zelfs binnen dezelfde batch, de deeltjes hebben de neiging om sterk in grootte te variëren, vorm en oppervlaktesamenstelling. Dat maakt het voor onderzoekers moeilijk om te zeggen wat het werk echt doet.

Een realtime beeldvormingsoplossing ontwikkeld aan de Washington University in St. Louis zou kunnen helpen, zoals gerapporteerd in een nieuwe studie in het tijdschrift ACS Katalyse .

"De uitdaging bij het correleren van optische afbeeldingen van één molecuul met specifieke actieve plaatsen in katalysatoren op nanoschaal is dat de ruimtelijke resolutie van 10 tot 25 nanometer die door deze techniek wordt geboden, nog steeds gemiddeld is over veel atomen op het oppervlak van de katalysator, waardoor het moeilijk wordt om reactiegebeurtenissen te correleren met de structuur van de katalysator, " zei Bryce Sadtler, assistent-professor scheikunde in Arts &Sciences en co-hoofdauteur van de nieuwe studie.

Sadtler wilde proberen katalytische reacties af te beelden met behulp van fluorescentie van één molecuul sinds hij in 2014 aan de Washington University arriveerde. Het project kreeg een vliegende start nadat hij werd voorgesteld aan Matthew Lew, assistent-professor aan de Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering aan de McKelvey School of Engineering.

"Na verschillende gesprekken met Matt, we waren het erover eens dat de microscopiehardware en beeldverwerking die hij ontwikkelde voor superresolutiemicroscopie een krachtig hulpmiddel zou kunnen zijn om structurele informatie te verkrijgen over de aard van de actieve plaatsen in katalysatoren op nanoschaal die voorheen onbereikbaar waren, ' zei Sadler.

Voor het nieuwe werk gerapporteerd in ACS Katalyse , de onderzoekers beeldden individuele chemische reacties af die plaatsvonden op het oppervlak van enkele wolfraamoxide-nanodraden, een soort fotokatalysator op nanoschaal die de groep van Sadtler voor het onderzoek heeft gesynthetiseerd.

Ze gebruikten twee verschillende chemische reporters die fluorescerend worden, of licht op, als reactie op verschillende soorten reacties op het oppervlak van de nanodraden. Door de ruimtelijke patronen te analyseren van waar deze chemische reacties plaatsvinden, ze waren in staat om de chemische structuur van actieve plaatsen op het oppervlak van de nanodraden op te helderen.

Krediet:ACS-katalyse

De onderzoekers ontdekten dat clusters van zuurstofvacatures langs het oppervlak van de nanodraad geadsorbeerde watermoleculen activeren tijdens de fotokatalytische vorming van hydroxylradicalen - een belangrijk tussenproduct bij de productie van chemische brandstoffen. inclusief waterstofgas en methanol, van zonlicht.

"Terwijl eerdere studies zich richtten op geïsoleerde zuurstofvacatures, een type defect dat veel voorkomt bij metaaloxiden, de resultaten onthullen het belang van een structureel kenmerk - clusters van zuurstofvacatures - bij het bereiken van hoge fotokatalytische activiteit, ' zei Sadler.

"Dit nieuwe inzicht biedt een pad naar het ontwerpen van fotokatalysatoren met verbeterde activiteit voor de conversie van zonlicht naar brandstof door de verdeling van zuurstofvacatures te regelen."

De resultaten zelf - en het proces dat wordt gebruikt om ze te ontdekken - zijn beide opwindend voor de onderzoekers.

"Het is altijd een droom om de enkelvoudige katalytische omzettingen op het oppervlak van vaste katalysatoren direct te observeren terwijl de katalytische transformatie aan de gang is, " zei Meikun Shen, een afgestudeerde student scheikunde en eerste auteur van het nieuwe artikel. "Ik kan alleen voor mezelf spreken, dit is mijn persoonlijke gevoel!"

Deze specifieke beeldvormingsbenadering biedt gedetailleerde ruimtelijke en temporele informatie over het katalytische proces - iets dat gewoonlijk onzichtbaar is voor wetenschappers zoals hij, legde Shen uit.

"Bij dit soort experimenten de chemische eigenschappen van de katalysator zijn meestal moeilijk te onthullen, " zei Shen. "We zijn erin geslaagd om deze moeilijkheid te overwinnen door twee verschillende moleculen te gebruiken om ofwel de activiteit of de chemische eigenschap van dezelfde katalysator te onderzoeken. De directe correlatie die we hebben waargenomen is uniek in het onderzoeksveld van heterogene katalyse."