Veel reacties die we gebruiken om chemische verbindingen in voedsel te produceren, medisch, en industriële gebieden zouden niet haalbaar zijn zonder het gebruik van katalysatoren. Een katalysator is een stof die, zelfs in kleine hoeveelheden, versnelt de snelheid van een chemische reactie en laat deze soms plaatsvinden bij mildere omstandigheden (lagere temperatuur en druk). Een goede katalysator kan soms de doorvoer van een reactor op industriële schaal vermenigvuldigen of meer dan 100°C van de bedrijfstemperatuur halen.

Het is geen verrassing, dan, dat katalysatoronderzoek cruciaal is om chemische reacties efficiënter te maken. Een opkomende benadering waarvan is waargenomen dat deze deze voordelen biedt, is het rechtstreeks verwarmen van de metalen nanodeeltjes in sommige katalysatoren met behulp van microgolven in plaats van conventionele uniforme verwarmingstechnieken. Metalen nanodeeltjes in katalysatoren hebben een sterke wisselwerking met microgolven en worden verondersteld selectief te worden verwarmd. Echter, wetenschappers hebben tegenstrijdige resultaten gerapporteerd bij het gebruik van deze aanpak, en het begrijpen van het effect dat selectieve verhitting van nanodeeltjes heeft op chemische reacties is moeilijk omdat er nog geen methoden zijn gevonden om hun lokale temperatuur te meten.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van Tokyo Tech onder leiding van prof. Yuji Wada pakken dit probleem aan en demonstreren een nieuwe benadering voor het meten van de lokale temperatuur van platina-nanodeeltjes in een vaste katalysator. hun methode, zoals beschreven in hun studie gepubliceerd in Communicatiechemie , vertrouwt op X-ray absorptie fijne structuur (XAFS) spectroscopie, die, zoals de naam impliceert, geeft informatie over de kleine lokale structuren van een materiaal met behulp van röntgenstralen.

In uitgebreide XAFS-oscillaties, een waarde die de Debye-Waller-factor wordt genoemd, kan worden afgeleid. Deze factor bestaat uit twee termen; een gerelateerd aan structurele stoornis, en een gerelateerd aan thermische stoornis. Als de structuur van de katalysator niet verandert bij verwarming in de magnetron, elke variatie in de Debye-Waller-factor moet te wijten zijn aan thermische variaties. Daarom, XAFS kan worden gebruikt om indirect de temperatuur van metalen nanodeeltjes te meten.

Het team van wetenschappers testte deze aanpak in platina op aluminiumoxide en platina op silicakatalysatoren om erachter te komen in welke mate microgolven de platina-nanodeeltjes selectief kunnen verwarmen in plaats van hun ondersteunend materiaal. Magnetronverwarming bleek een duidelijk temperatuurverschil tussen NP en drager te produceren. Een reeks vergelijkende experimenten toonde aan dat een hogere lokale temperatuur van de metalen nanodeeltjes in katalysatoren cruciaal is voor het verkrijgen van hogere reactiesnelheden bij dezelfde temperatuur.

Enthousiast over de resultaten, Prof Wada merkt op, "Dit werk is de eerste die een methode presenteert voor de beoordeling van de lokale temperaturen van nanodeeltjes en hun effect op katalytische reacties. We concluderen dat de lokale verwarming van platina-nanodeeltjes efficiënt is voor het versnellen van chemische reacties waarbij platina zelf betrokken is, een praktische benadering presenteren om een ​​dramatische verbetering van katalytische reacties te verkrijgen met behulp van microgolfverwarming."

Deze bevindingen vertegenwoordigen een doorbraak voor het verbeteren van ons begrip van de rol van microgolfverwarming bij het verbeteren van de katalytische prestaties. Dr. Tsubaki voegt toe, "Efficiënte energieconcentratie op de actieve plaatsen van katalysatoren - in dit geval de metalen nanodeeltjes - zou een cruciale strategie moeten worden voor het verkennen van microgolfchemie om efficiënt energieverbruik voor reacties te bereiken en om mildere omstandigheden voor reactieversnelling mogelijk te maken." Dit nieuwe inzicht in katalytische processen zal hopelijk op de lange termijn tonnen energie besparen door reactoren slimmer te laten werken, niet moeilijker.