(Phys.org) — Oppervlaktekatalysatoren zijn notoir moeilijk mechanisch te bestuderen, maar wetenschappers van de University of South Carolina en Rice University hebben laten zien hoe ze realtime reactie-informatie kunnen krijgen van Ag-nanokatalysatoren die lang gefrustreerde pogingen hebben gedaan om hun kinetisch gedrag in detail te beschrijven.

De sleutel tot het succes van het team was het overbruggen van een groottekloof die in het verleden een grote kloof voor onderzoekers was geweest. Om effectief te zijn als nanokatalysatoren, edele metalen zoals Au, punt, Pd en Ag moeten doorgaans nanodeeltjes zijn die kleiner zijn dan 5 nm, zegt Hui Wang, een assistent-professor scheikunde en biochemie in South Carolina die het team leidde in samenwerking met Peter Nordlander van Rice University.

Helaas, 5 nm is onder de groottedrempel waarbij plasmonresonantie effectief kan worden benut. Plasmonresonantie is een fenomeen dat aanleiding geeft tot een dramatische verbetering van invallende elektromagnetische signalen, die de basis vormt van analytische technieken zoals oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS).

Het vermogen om de analytische kracht van plasmonresonantie in een nanomateriaal te gebruiken, vereist grotere nanodeeltjes, "minstens tientallen nanometers in diameter, ", zegt Wang. De onverenigbaarheid van de twee grootteregimes had lang het gebruik van een reeks spectrale technieken op basis van plasmonresonantie - SERS is er maar één - op nanokatalysatoren van edelmetaal onder de 5 nm uitgesloten.

Maar zoals ze net meldden in Nano-letters , Wang en zijn team zijn erin geslaagd om het beste van twee werelden te combineren.

Beginnend met kubusvormige nanodeeltjes van ongeveer 50 nm breed en 120 nm lang, ze etsten platte oppervlakken chemisch op een manier die gekromde oppervlakken genereerde, het creëren van nanodeeltjes die met succes een hydrogeneringsreactie van het modeloppervlak hebben gekatalyseerd. Volgens de ploeg de katalyse is het resultaat van het vervangen van laagenergetische atomen op het platte oppervlak door blootgestelde atomen na het etsen.

"Als je een plat oppervlak hebt, het coördinatiegetal van elk atoom op het oppervlak is acht of negen, " zegt Wang over hun nanodeeltjes, die vóór het etsen een oppervlak van zuiver Ag had. "Maar als je een aantal atomaire stappen op een oppervlak hebt, het coördinatiegetal zal afnemen. Deze blootgestelde atomen zijn actiever."

Het getrapte oppervlak van het geëtste nanomateriaal bootst dus de omgeving van een sub-5-nm nanodeeltje na:meer blootgesteld, actieve oppervlakte-atomen kunnen deelnemen aan katalyse.

En de katalyse is op een nanodeeltje met plasmonische activiteit, waarvan de onderzoekers lieten zien dat ze kunnen worden "afgestemd" door de vorm en grootte van de nanodeeltjes te variëren. Het team demonstreerde het vermogen om kubussen (zoiets als een korte staaf maar met vierkante in plaats van ronde zijden) om te zetten in wat ze 'nanorice' en 'nanodumbbells' noemden door middel van twee verschillende soorten chemisch etsen. De twee vormen hadden verschillende plasmonische eigenschappen die konden worden gevarieerd door het etsen in verschillende stadia te stoppen om verschillende maten en vormen van rijst en halters op nanoschaal te creëren.

Die plasmonische activiteit kan worden gebruikt voor SERS en andere analytische technieken om katalytische reacties in detail te bestuderen wanneer ze plaatsvinden.

"Raman-spectroscopie is extreem krachtig, met informatie over moleculaire vingerafdrukken - je kunt de structuren zien, je kunt zien hoe de moleculen op het oppervlak zijn georiënteerd, ", zegt Wang. "Als je GC wilt gebruiken, HPLC, of massaspecificatie, je moet een monster beschadigen, maar hier kunt u de reactie in realtime volgen.

"En er is veel meer informatie met deze aanpak. Bijvoorbeeld, we identificeerden het tussenproduct langs de reactieroute. Met die andere benaderingen, het is echt moeilijk om dat te doen."