Chemici hebben de effecten van nano-opsluiting in katalyse gemeten door afzonderlijke moleculen te volgen terwijl ze door "nanowells" duiken en reageren met katalysatoren aan de onderkant.

De putten in deze experimenten zijn gemiddeld slechts 2,3 miljardste van een meter breed en ongeveer 80 tot 120 miljardste van een meter diep. Deze kleine kanaaltjes geven toegang tot een platinakatalysator die is ingeklemd tussen de vaste kernen en poreuze schillen van silicabolletjes. En ze helpen een team van chemici te begrijpen hoe zo'n nano-opsluiting van katalysatoren reacties beïnvloedt.

Eerdere studies van de reacties waren beperkt tot theoretisch werk met vereenvoudigde modellen en experimenten volgens een verzameling moleculen. Deze studie was in staat om gegevens over één molecuul te verzamelen omdat het experiment een fluorescerend molecuul creëerde dat kon worden verlicht, afgebeeld en gevolgd - zelfs in nano-opsluiting.

"Dit nano-opsluitingseffect wordt niet goed begrepen, vooral op kwantitatief vlak, " zei Wenyu Huang, een universitair hoofddocent scheikunde aan de Iowa State University en een medewerker van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy.

Een nieuw artikel dat onlangs online is gepubliceerd door het tijdschrift Natuur Katalyse meldt dat, in dit geval, "de reactiesnelheid wordt aanzienlijk verhoogd in de aanwezigheid van nano-opsluiting, " schreven Huang en een team van co-auteurs.

Huang en Ning Fang, een universitair hoofddocent scheikunde aan de Georgia State University in Atlanta, zijn hoofdauteurs van het artikel. Een driejarige $550, 000 subsidie ​​van de National Science Foundation steunde het project.

Huang's Iowa State lab gemaakt, bestudeerde en beschreef de meerlagige bollen en hun nanowells van voorgeschreven lengte. Het laboratorium van Fang in de staat Georgia gebruikte laser- en microscopische beeldvormingstechnologie om de moleculen te volgen en de reacties te meten.

Dat was een grote uitdaging voor de onderzoekers. Dergelijke metingen waren nooit experimenteel uitgevoerd "vanwege de schijnbaar onoverkomelijke technische uitdagingen van het dynamisch volgen van afzonderlijke moleculen in complexe nanoporeuze structuren onder reactieomstandigheden, ’ schreven de chemici in hun krant.

Zij, echter, een experimentele techniek bedacht die met succes meer dan 10 volgde, 000 molecuultrajecten van een katalytische modelreactie. (De reactie omvatte een molecuul genaamd amplex rood dat reageerde met waterstofperoxide op het oppervlak van platina-nanodeeltjes om een ​​productmolecuul genaamd resorufine te genereren, wat een sterk fluorescerend molecuul is.)

Naast de ontdekking dat nano-opsluiting de reactiesnelheid verhoogde, de experimenten toonden aan dat er minder hechting was van de moleculen aan het oppervlak van de platina-nanodeeltjes.

Nu ze hun experimentele technieken hebben gedemonstreerd en de eerste conclusies hebben getrokken, de chemici zijn van plan hun project uit te breiden.

"Als we dit model eenmaal begrijpen, we kunnen kijken naar meer gecompliceerde reacties, ' zei Huang.

En dat zou kunnen leiden tot betere katalysatoren.

Zoals de chemici in hun krant schreven, "Dit werk maakt de weg vrij voor onderzoek om kwantitatief te differentiëren, de complexe effecten van nano-opsluiting op dynamische katalytische processen evalueren en begrijpen, aldus het rationele ontwerp van krachtige katalysatoren begeleiden."