(Phys.org) - Door de snelheid te wijzigen waarmee chemische reacties plaatsvinden, nanodeeltjeskatalysatoren vervullen talloze rollen in de industrie, de biomedische arena en het dagelijks leven. Ze kunnen worden gebruikt voor de productie van polymeren en biobrandstoffen, voor het verbeteren van vervuilings- en emissiebeheersingsapparatuur, om reacties te versterken die essentieel zijn voor brandstofceltechnologie en voor de synthese van nieuwe geneesmiddelen. Het vinden van nieuwe en effectievere katalysatoren voor nanodeeltjes om deze nuttige functies uit te voeren, is daarom van vitaal belang.

Nu Nongjian (NJ) Tao, een onderzoeker aan het Biodesign Institute van de Arizona State University, heeft een slimme manier gevonden om katalytische reacties te meten van enkele nanodeeltjes en meerdere deeltjes die in arrays zijn afgedrukt, die zal helpen bij het karakteriseren en verbeteren van bestaande nanodeeltjeskatalysatoren, en ga verder met het zoeken naar nieuwe.

De meeste katalytische materialen die in laboratoria worden gesynthetiseerd, bevatten deeltjes met verschillende groottes en vormen, elk met verschillende elektrokatalytische activiteiten, maar de conventionele methoden meten de gemiddelde eigenschappen van veel nanodeeltjes, die de eigenschappen van individuele nanodeeltjes uitsmeren.

"Het vermogen om katalytische reacties van enkele nanodeeltjes te meten, maakt het mogelijk om de relatie te bepalen tussen de efficiëntie van een katalytische reactie en de grootte, vorm, en samenstelling van het nanodeeltje." Tao legt uit. "Zo'n beeldvormingsvermogen maakt het ook mogelijk om arrays van katalytische reacties van nanodeeltjes in beeld te brengen, die kunnen worden gebruikt voor snelle screening van verschillende nanodeeltjes, " hij voegde toe.

In de huidige studie, platina nanodeeltjes die fungeren als elektrochemische katalysatoren worden onderzocht met behulp van de nieuwe techniek, bekend als plasmonische elektrochemische beeldvorming. De methode combineert de ruimtelijke resolutie van optische detectie met de hoge gevoeligheid en selectiviteit van elektrochemische herkenning.

De resultaten van het onderzoek verschijnen in de geavanceerde online editie van het tijdschrift van deze week Natuur Nanotechnologie .

Scanning-elektrochemische microscopie (SECM) is gebruikt om elektrochemische reacties af te beelden door mechanisch een monsteroppervlak te scannen met behulp van een micro-elektrode. In dit proces echter de beeldsnelheid is beperkt en de aanwezigheid van de micro-elektrode zelf kan het monster beïnvloeden en de resultaten veranderen.

De nieuwe methode is in plaats daarvan gebaseerd op het optisch afbeelden van elektrochemische reacties op basis van het fenomeen oppervlakteplasmonresonantie. Oppervlakteplasmonen zijn oscillaties van vrije elektronen in een metalen elektrode, en kan worden gemaakt en gedetecteerd met licht. Elke elektrochemische reactie gaat gepaard met de uitwisseling van elektronen tussen reactanten en elektroden, en de conventionele elektrochemische methoden, inclusief SECM, de elektronen detecteren.

"Onze aanpak is om elektrochemische reacties te meten zonder de elektronen direct te detecteren." zei Tao. "De truc is om de omzetting van de reactant in reactieproducten te detecteren die verband houden met de uitwisseling van elektronen." Een dergelijke omzetting in de buurt van de elektrode beïnvloedt het plasmon, veranderingen in lichtreflectie veroorzaken, die de techniek omzet in een optisch beeld.

Met behulp van plasmonische elektrochemische stroombeeldvorming, Tao's groep onderzocht de elektrokatalytische activiteit van platina-nanodeeltjes die in een microarray op een gouden dunnefilmelektrode zijn gedrukt, voor het eerst de haalbaarheid aantonen van high-throughput screening van de katalytische activiteiten van nanodeeltjes.

Aanvullend, de nieuwe studie laat zien dat dezelfde methode kan worden gebruikt om individuele nanodeeltjes te onderzoeken. Als een elektrisch potentiaal op de elektrode wordt aangelegd en door een reeks waarden wordt gefietst, nanodeeltjes verschijnen duidelijk als vlekken op de array. Het effect is te zien in begeleidende video's, waar nanodeeltjesvlekken zich in de loop van de tijd 'ontwikkelen' naarmate het potentieel verandert, net zoals een polaroidbeeld geleidelijk verschijnt.

Microarrays met verschillende oppervlaktedichtheden van nanodeeltjes werden ook geproduceerd voor het onderzoek. De resultaten toonden aan dat elektrokatalytische stroom bij een gegeven potentiaal evenredig toeneemt met de dichtheid van nanodeeltjes. Verder, wanneer individuele nanodeeltjes werden gekarakteriseerd met behulp van SPR-microscopie, atomaire krachtmicroscopie (AFM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), goede overeenstemming werd aangetoond tussen de resultaten, verdere validatie van de nieuwe techniek.

Tao merkt op dat in principe, plasmonische elektrochemische beeldvorming - een snelle en niet-invasieve techniek die de gecombineerde voordelen van optische en elektrochemische detectie biedt - kan worden toegepast op andere verschijnselen waarvoor momenteel conventionele elektrochemische detectiemethoden worden gebruikt.