Defecten en gekartelde oppervlakken aan de randen van platina- en gouddeeltjes van nanoformaat zijn belangrijke hotspots voor chemische reactiviteit, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël hebben dit bevestigd met een unieke infraroodsonde.

Experimenten als deze zouden onderzoekers moeten helpen om de structurele eigenschappen van katalysatoren aan te passen om ze effectiever te maken in het bevorderen van chemische reacties.

De studie, gepubliceerd op 11 januari in Natuur , is een belangrijke stap in het beschrijven hoe de atomaire structuur van nanodeeltjes hun functie als katalysator in chemische reacties beïnvloedt. Katalysatoren, die een rol spelen bij de productie van veel industriële producten, zoals meststoffen, brandstof, en kunststoffen, zijn materialen die chemische reacties kunnen versnellen en efficiënter kunnen maken terwijl ze in het proces ongewijzigd blijven.

Wetenschappers weten dat materialen zich op nanoschaal anders kunnen gedragen dan in grotere hoeveelheden. en dat het aanpassen van hun grootte en vorm hun eigenschappen voor specifieke toepassingen kan verbeteren. Deze nieuwe techniek lokaliseerde de gebieden op afzonderlijke metaaldeeltjes - die ongeveer 100 nanometer meten - het meest actief zijn in chemische reacties.

Onderzoekers combineerden een breed spectrum van infrarood licht, geproduceerd door Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), met een atoomkrachtmicroscoop om verschillende niveaus van chemische reactiviteit te onthullen aan de randen van enkele platina- en gouden nanodeeltjes in vergelijking met hun gladde, vlakke oppervlakten.

Ze gebruikten een unieke mogelijkheid bij ALS, genaamd SINS (voor synchrotron-straling gebaseerde infrarood nanospectroscopie), om de gedetailleerde chemie op het oppervlak van de deeltjes te onderzoeken, en bereikte een resolutie tot 25 nanometer.

"Het stelt je in staat om al dit samenspel in de chemie te zien, " zei Michaël Maarten, een senior stafwetenschapper die verantwoordelijk is voor infraroodbundellijnen bij de ALS. "Dat maakt dit bijzonder."

Hans Bechtel, een onderzoekswetenschapper bij Berkeley Lab die werkt aan de ALS-infraroodbundellijnen, toegevoegd, "Je kunt tegelijkertijd reactanten en de producten zien die in reacties worden gevormd."

In het experiment, onderzoekers bedekten de metaaldeeltjes met een laag reactieve moleculen en concentreerden het door ALS geproduceerde infraroodlicht op het kleine puntje (25 nanometer in zijn diameter) van de atoomkrachtmicroscoop.

De punt van de microscoop, in combinatie met het sterk gefocuste infraroodlicht, werkte als een extreem gevoelige antenne om de oppervlaktestructuur van individuele nanodeeltjes in kaart te brengen en tegelijkertijd hun gedetailleerde oppervlaktechemie te onthullen.

"We waren in staat om de exacte vingerafdruk van moleculen op het oppervlak van de deeltjes te zien en een bekende hypothese op het gebied van katalyse te valideren, " zei Elad Gross, een faculteitslid aan het Instituut voor Chemie en het Centrum voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, die samen met F. Dean Toste de studie leidde, een faculteitswetenschapper in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab en professor aan de UC Berkeley's Department of Chemistry.

Het kennen van het precieze energieniveau dat nodig is om chemische reacties op gang te brengen (de activeringsenergie) is de sleutel tot het optimaliseren van reacties, en kan de kosten op industriële schaal verlagen door energie te besparen.

"Deze techniek kan u niet alleen vertellen waar en wanneer een reactie plaatsvond, maar ook om de activeringsenergie voor de reactie op verschillende plaatsen te bepalen, " zei Gross. "Wat je hier hebt, is een hulpmiddel dat fundamentele vragen in katalyseonderzoek kan beantwoorden. We hebben aangetoond dat gebieden die op atomair niveau zeer gebrekkig zijn, actiever zijn dan gladde oppervlakken."

Deze eigenschap heeft te maken met de kleine omvang van de deeltjes, Gross opgemerkt. "Als de deeltjesgrootte kleiner wordt, de structuur is minder uniform en je hebt meer gebreken, " hij zei.

Kleinere deeltjes hebben een groter oppervlak per deeltje dan grotere deeltjes, wat betekent dat er meer atomen aan de randen zullen zitten. Atomen aan de randen van de deeltjes hebben minder buren dan die langs de gladde oppervlakken, en minder buren betekent meer vrijheid om deel te nemen aan chemie met andere elementen.

Aangezien de bestudeerde chemische reacties zeer snel plaatsvinden - in minder dan een seconde - en de ALS-techniek ongeveer 20 minuten kan duren om een ​​enkele plek op een deeltje te scannen, gebruikten de onderzoekers een laagje chemisch actieve moleculen, die aan het oppervlak van het deeltje waren bevestigd, als markers voor de katalytische reactiviteit.

De katalytische reactie in het onderzoek was analoog aan wat er gebeurt in de katalysatoren van benzine-aangedreven voertuigen. Katalysatoren gebruiken platinadeeltjes en andere materialen om uitlaatgassen van auto's om te zetten in minder giftige emissies.

Toekomstige experimenten die zijn gepland met behulp van de SINS-techniek zullen gericht zijn op het documenteren van actieve chemische processen die gecontroleerde stromen van gassen of vloeistoffen gebruiken om reacties te veroorzaken, onderzoekers zeiden, en toekomstige experimenten kunnen verschillende druk en temperatuur gebruiken om effecten te meten.

"Ik denk dat dit een zeer interessant hulpmiddel wordt voor verdere experimenten en analyses die veel vragen kunnen beantwoorden die eerder niet konden worden beantwoord, Gross zei. "Deze tool geeft ons de mogelijkheid om een ​​betere resolutie te krijgen met drie orden van grootte dan sommige andere technieken, die een zeer breed veld heeft geopend voor katalyse en oppervlaktechemiestudies."

Toekomstige studies zouden ook mogelijk op infrarood en röntgen gebaseerde methoden bij de ALS kunnen combineren om rijkere chemische informatie te verzamelen, aldus onderzoekers. Er zijn al plannen voor een nieuwe infraroodstraallijn bij de ALS die de capaciteit en mogelijkheden voor chemische infraroodonderzoeken zal vergroten en ook op infrarood gebaseerde 3D-structurele studies bij de ALS zal lanceren.