Ingenieurs die brandstofcelkatalysatoren proberen te verbeteren, kijken misschien op de verkeerde plaats, volgens nieuw onderzoek bij Cornell.

Er is een groeiende belangstelling voor het vormen van de katalysatoren die brandstof afbreken om elektriciteit op te wekken tot nanodeeltjes. Nanodeeltjes zorgen voor een groter oppervlak om reacties te versnellen, en in sommige gevallen, materialen die in bulk niet katalytisch zijn, worden dat op nanoschaal.

Deze nanodeeltjes, meestal slechts enkele tientallen nanometers (nm) breed, zijn geen keurige bolletjes, maar eerder gekartelde brokken, zoals grind op microschaal, en onderzoekers hebben ontdekt dat ze katalytische activiteit kunnen correleren met informatie over het aantal en het type van hun oppervlaktefacetten. Maar misschien kijken ze naar het bos en negeren ze de bomen.

"Mensen meten de activiteit van een monster en proberen het vervolgens te begrijpen door facetinformatie te gebruiken, " zei Peng Chen, universitair hoofddocent scheikunde en chemische biologie. "De boodschap die we willen overbrengen, is dat oppervlaktedefecten [aan de facetten] de katalyse domineren."

Chen's onderzoek wordt op 19 februari gerapporteerd in de online editie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

In plaats van deeltjes, Chen's onderzoeksgroep bestudeerde katalytische gebeurtenissen op gouden "nanorods" tot 700 nm lang, hen effectief te laten zien hoe activiteit varieert over een enkel facet. Goud werkt als een katalysator om een ​​chemische stof genaamd Amplex Red om te zetten in resorufine, die fluorescerend is.

Elke keer dat zich een katalytische gebeurtenis voordoet, het nieuw gecreëerde molecuul resorufine zendt een lichtflits uit die wordt gedetecteerd door een digitale camera die door een microscoop kijkt. Een flits verschijnt meestal als meerdere pixels, en extra computerverwerking gemiddelden hun helderheid om de werkelijke gebeurtenis tot op enkele nanometers nauwkeurig te lokaliseren. De onderzoekers noemen de techniek 'superresolutiemicroscopie'. Na het overspoelen van een veld van nanostaafjes met een oplossing van Amplex Red, ze maakten een "film" met elke 25 milliseconden één frame.

De onderzoekers vonden meer katalytische gebeurtenissen in het midden van een staaf, aflopend naar de uiteinden en een sprong terug naar boven aan de uiteinden. Ze vonden ook variatie in de hoeveelheid activiteit van de ene staaf naar de andere, ook al hebben alle staven dezelfde soorten facetten.

Om de resultaten te verklaren, zij stelden voor dat de activiteit hoger is in gebieden met meer oppervlaktedefecten. De nanostaafjes worden gemaakt door goudkristallen te laten groeien uit een klein "zaadkristal", naar buiten groeiend van het midden naar de uiteinden, Chen legde uit, en meer defecten ontstaan ​​aan het begin van het proces.

"Kennis van de oppervlaktefacetten ... is onvoldoende om reactiviteit te voorspellen, "Zeggen de onderzoekers in hun paper. "Oppervlaktedefecten... kunnen ook een dominante rol spelen."

De bevindingen met een gouden katalysator en fluorescerende moleculen zouden evenzeer van toepassing moeten zijn op andere katalysatoren, met inbegrip van die welke worden gebruikt in brandstofcellen en voor de sanering van verontreiniging, zei Chen.