Als iemand die een kattengevecht verbreekt, de rol van katalysatoren in een chemische reactie is om het proces te versnellen - en er intact uit te komen. En, net zoals niet elk huis in een buurt iemand heeft die in zo'n strijd wil ingrijpen, niet elk onderdeel van een katalysator neemt deel aan de reactie. Maar wat als je de niet-geëngageerde delen van een katalysator zou kunnen overtuigen om mee te doen? Chemische reacties kunnen sneller of efficiënter plaatsvinden.

Materiaalwetenschappers van Stanford University onder leiding van Jennifer Dionne hebben precies dat gedaan door lichte en geavanceerde fabricage- en karakteriseringstechnieken te gebruiken om katalysatoren te voorzien van nieuwe mogelijkheden.

In een proof-of-concept-experiment staven palladium die ongeveer 1/200ste van de breedte van een mensenhaar waren, dienden als katalysatoren. De onderzoekers plaatsten deze nanostaafjes boven gouden nanobars die het licht rond de katalysator focusten en "beeldhouwden". Dit gebeeldhouwde licht veranderde de gebieden op de nanostaafjes waar chemische reacties - waarbij waterstof vrijkomt - plaatsvonden. Dit werk, gepubliceerd op 14 januari in Wetenschap, zou een eerste stap kunnen zijn in de richting van efficiëntere katalysatoren, nieuwe vormen van katalytische transformaties en mogelijk zelfs katalysatoren die in staat zijn om meer dan één reactie tegelijk te ondersteunen.

"Dit onderzoek is een belangrijke stap in het realiseren van katalysatoren die zijn geoptimaliseerd van atomaire schaal tot reactorschaal, " zei Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, senior auteur van het artikel. "Het doel is om te begrijpen hoe, met de juiste vorm en samenstelling, we kunnen het reactieve gebied van de katalysator maximaliseren en controleren welke reacties plaatsvinden."

Een mini-lab

Om deze reactie eenvoudig te kunnen observeren, was een uitzonderlijke microscoop nodig, in staat om op zeer kleine schaal een actief chemisch proces in beeld te brengen. "Het is moeilijk om te observeren hoe katalysatoren veranderen onder reactieomstandigheden omdat de nanodeeltjes extreem klein zijn, " zei Katherine Sytwu, een voormalig afgestudeerde student in het Dionne-lab en hoofdauteur van het artikel. "De kenmerken op atomaire schaal van een katalysator bepalen over het algemeen waar een transformatie plaatsvindt, en dus is het cruciaal om te onderscheiden wat er gebeurt in het kleine nanodeeltje."

Voor deze specifieke reactie - en de latere experimenten met het regelen van de katalysator - moest de microscoop ook compatibel zijn met de introductie van gas en licht in het monster.

Om dit alles te realiseren, de onderzoekers gebruikten een omgevingstransmissie-elektronenmicroscoop bij de Stanford Nano-Shared Facilities met een speciale bijlage, eerder ontwikkeld door het Dionne-lab, licht te introduceren. Zoals hun naam al doet vermoeden, transmissie-elektronenmicroscopen gebruiken elektronen om monsters af te beelden, die een hogere vergroting mogelijk maakt dan een klassieke optische microscoop, en de omgevingseigenschap van deze microscoop betekent dat gas kan worden toegevoegd aan wat anders een luchtloze omgeving is.

"Je hebt eigenlijk een minilab waar je experimenten kunt doen en visualiseren wat er gebeurt op bijna atomair niveau, ' zei Sytwu.

Onder bepaalde temperatuur- en drukomstandigheden, waterstofrijk palladium zal zijn waterstofatomen vrijgeven. Om te zien hoe licht deze standaard katalytische transformatie zou beïnvloeden, de onderzoekers hebben een gouden nanobar aangepast - ontworpen met behulp van apparatuur in de Stanford Nano-Shared Facilities en de Stanford Nanofabrication Facility - om onder het palladium te zitten en als een antenne te fungeren, het binnenkomende licht opvangen en naar de nabijgelegen katalysator leiden.

"Eerst moesten we begrijpen hoe deze materialen op natuurlijke wijze transformeren. we begonnen na te denken over hoe we deze nanodeeltjes konden wijzigen en daadwerkelijk konden controleren, ' zei Sytwu.

Zonder licht, de meest reactieve punten van de dehydrogenering zijn de twee uiteinden van de nanostaaf. De reactie gaat dan door de nanostaaf, Onderweg komt er waterstof vrij. Met licht, echter, de onderzoekers waren in staat om deze reactie te manipuleren zodat het van het midden naar buiten of van de ene tip naar de andere reisde. Op basis van de locatie van de gouden nanobar en de verlichtingsomstandigheden, de onderzoekers slaagden erin om verschillende alternatieve hotspots te produceren.

Bond breken en doorbraken

Dit werk is een van de zeldzame voorbeelden die aantoont dat het mogelijk is om het gedrag van katalysatoren aan te passen, zelfs nadat ze zijn gemaakt. Het opent een aanzienlijk potentieel voor het verhogen van de efficiëntie op het niveau van één katalysator. Een enkele katalysator zou de rol kunnen spelen van vele, licht gebruiken om meerdere van dezelfde reacties over het oppervlak uit te voeren of mogelijk het aantal plaatsen voor reacties vergroten. Lichtregeling kan wetenschappers ook helpen ongewenste, vreemde reacties die soms naast gewenste reacties optreden. Dionne's meest ambitieuze doel is om ooit efficiënte katalysatoren te ontwikkelen die in staat zijn plastic op moleculair niveau af te breken en terug te transformeren naar zijn bronmateriaal voor recycling.

Dionne benadrukte dat dit werk, en wat daarna komt, zou niet mogelijk zijn zonder de gedeelde faciliteiten en middelen die beschikbaar zijn op Stanford. (Deze onderzoekers gebruikten ook het Stanford Research Computing Center om hun data-analyse uit te voeren.) De meeste laboratoria kunnen het zich niet veroorloven om alleen over deze geavanceerde apparatuur te beschikken. dus het delen ervan verhoogt de toegang en deskundige ondersteuning.

"Wat we over de wereld kunnen leren en hoe we de volgende grote doorbraak mogelijk kunnen maken, wordt zo cruciaal mogelijk gemaakt door gedeelde onderzoeksplatforms, " zei Dionne, die ook senior associate vice-provoost is voor onderzoeksplatforms/gedeelde faciliteiten. "Deze ruimtes bieden niet alleen cruciale tools, maar een echt geweldige gemeenschap van onderzoekers."