Wetenschappers van de Queen Mary University of London hebben een manier gevonden om katalysatoren in de kleinste poriën van verschillende gastheermaterialen te plaatsen. een beetje zoals wanneer modelschepen in een fles worden uitgevouwen.

Als materialen zo op zo'n kleine schaal worden opgesloten, en zonder de gastheer te breken, ze gedragen zich anders dan hun bulkvorm, een verandering die wetenschappers het opsluitingseffect noemen.

In het geval van katalysatoren, dat zijn materialen die chemische reacties versnellen, opsluiting kan leiden tot hogere activiteit. Het houdt deeltjes goed gescheiden, wat essentieel is om functieverlies bij katalyse te voorkomen, en behoudt hun zeer reactieve oppervlak.

evenzo, wanneer een materiaal in een kleine ruimte wordt geperst, zijn elektronen kunnen niet zo ver bewegen als gebruikelijk en de kleur van de lichtemissie van het materiaal kan veranderen - een effect dat in microlasers zou kunnen worden gebruikt.

Deze strategie opent ook de mogelijkheid van multifunctionele materialen waarin de gast en gastheer verschillende dingen afzonderlijk doen of, omdat de gast is opgesloten, de interacties tussen de gastheer en de gast kunnen nieuwe eigenschappen opleveren.

Om de aanpak te illustreren, de onderzoekers gebruikten poreuze nanomaterialen die lijken op sponzen, maar met vakjes van 1 nm aan de binnenkant waar andere moleculen kunnen passen. Echter, het laden van reactieve katalysatoren in een nanoporeuze gastheer is een uitdaging omdat vaak de reactieomstandigheden de gastheer kunnen vernietigen.

De studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , demonstreert een concept dat thermodynamica gebruikt om deze problemen op te lossen. De onderzoekers realiseerden zich dat ze de stabiliteit van de gastheer onder verschillende reactieomstandigheden kunnen inschatten.

Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met de Universiteit van Cambridge, Dalian Instituut voor Chemische Fysica (Chinese Academie van Wetenschappen), Nationale Universiteit van Singapore en de Universiteit van New South Wales.

Hoofdonderzoeker Dr. Stoyan Smoukov, van de Queen Mary University in Londen, zei:"We hadden enkele ideeën dat opsluiting eigenschappen zou kunnen veranderen, zoals dergelijke veranderingen zijn gezien in andere systemen. De vraag was:was er een algemene manier waarop we onderzoekers konden proberen te begeleiden, zodat ze allerlei grote gasten met verschillende functies konden synthetiseren, zoals metalen, metaaloxiden, sulfiden, nitriden - zonder de gastheren te vernietigen?"

Met behulp van thermodynamische diagrammen ontwikkelden de onderzoekers een concept genaamd Pourbaix-Enabled Guest Synthesis (PEGS), waar omstandigheden en voorloperverbindingen kunnen worden gekozen om de gastheren niet te vernietigen. Ze bevatten een zelfstudiesysteem dat laat zien hoe je een grote verscheidenheid aan nieuwe combinaties van gast/gastheer kunt maken.

Co-corresponderende auteur, Professor Qiang Fu, van Dalian Institute of Chemical Physics (Chinese Academie van Wetenschappen), toegevoegd:"Vanuit een praktisch perspectief, de PEGS-benadering koppelt de materiaalchemie aan het ontwerp van functionele materialen voor toepassingen zoals heterogene katalyse. De beperkte oxide-nanostructuren verkregen door de PEGS-methode in dit werk kunnen verbeterde katalytische prestaties vertonen, wat van groot belang is voor het ontwerp van geavanceerde oxidekatalysatoren."

Een van de hoofdauteurs, Tiesheng Wang, van de Universiteit van Cambridge, zei:"De komende impact kan enorm zijn. Aangezien de kwantumtheorie de natuur beschrijft op atomaire tot subatomaire schalen, het werk dat helpt om nieuwe beperkte toestanden op kleine schaal te bereiken, kan bijdragen aan de basis om de kwantumwereld experimenteel te verkennen."