Met behulp van een nieuw type nanoreactor, onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben katalytische reacties op individuele metalen nanodeeltjes in kaart gebracht. Hun werk zou chemische processen kunnen verbeteren, en leiden tot betere katalysatoren en milieuvriendelijkere chemische technologie. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Katalysatoren verhogen de snelheid van chemische reacties. Ze spelen een cruciale rol in veel belangrijke industriële processen, inclusief het maken van brandstoffen en medicijnen, en het beperken van schadelijke voertuigemissies. Het zijn ook essentiële bouwstenen voor nieuwe duurzame technologieën zoals brandstofcellen die elektriciteit opwekken door een reactie tussen zuurstof en waterstof. Katalysatoren kunnen ook bijdragen aan het afbreken van milieutoxines door giftige chemicaliën uit water te verwijderen, bijvoorbeeld.

Om effectievere katalysatoren voor de toekomst te ontwerpen, fundamentele kennis nodig is, zoals het begrijpen van katalyse op het niveau van individuele actieve katalytische deeltjes.

Om de moeilijkheid van het begrijpen van katalytische reacties vandaag te visualiseren, stel je een menigte voor bij een voetbalwedstrijd, waar een aantal toeschouwers fakkels opsteken. De rook verspreidt zich snel, en zodra zich een rookwolk boven de menigte heeft gevormd, het is bijna onmogelijk om te zeggen wie de fakkels daadwerkelijk heeft aangestoken, of hoe krachtig elk ervan brandt. De chemische reacties bij katalyse verlopen op een vergelijkbare manier. Er zijn miljoenen individuele deeltjes bij betrokken, en het is momenteel erg moeilijk om de rollen van elke specifieke te volgen en te bepalen, inclusief hoe effectief ze zijn en hoeveel elk heeft bijgedragen aan de reactie.

Het is dus noodzakelijk om het katalytische proces op het niveau van individuele nanodeeltjes te onderzoeken. De nieuwe nanoreactor heeft de onderzoekers van Chalmers hiertoe in staat gesteld. De reactor bestaat uit ongeveer 50 glazen nanotunnels die met vloeistof zijn gevuld en parallel zijn opgesteld. In elke tunnel, de onderzoekers plaatsten een enkel gouden nanodeeltje. Hoewel ze van vergelijkbare grootte zijn, elk nanodeeltje heeft verschillende katalytische eigenschappen - sommige zijn zeer effectief, andere beslist minder optimaal. Om te kunnen onderscheiden hoe grootte en nanostructuur de katalyse beïnvloeden, de onderzoekers maten de katalyse op de deeltjes afzonderlijk.

"We hebben twee soorten moleculen de nanotunnels ingestuurd die met elkaar reageren. Eén molecuultype is fluorescerend en straalt licht uit. Het licht dooft alleen wanneer het een partner van het tweede type op het oppervlak van de nanodeeltjes ontmoet, en er vindt een chemische reactie tussen de moleculen plaats. Door dit uitsterven van het 'licht aan het einde van de nanotunnel' stroomafwaarts van de nanodeeltjes te observeren, konden we de efficiëntie van elk nanodeeltje bij het katalyseren van de chemische reactie volgen en meten, " zegt Sune Levin, doctoraatsstudent aan de afdeling Biologie en Biotechnologie van de Chalmers University of Technology, en hoofdauteur van het wetenschappelijke artikel.

Hij voerde de experimenten uit onder supervisie van professoren Fredrik Westerlund en Christoph Langhammer. De nieuwe nanoreactor is het resultaat van een brede samenwerking tussen onderzoekers van verschillende afdelingen van Chalmers.

"Effectieve katalyse is essentieel voor zowel de synthese als de afbraak van chemicaliën. katalysatoren zijn nodig voor de productie van kunststoffen, medicijnen en brandstoffen op de beste manier, en het effectief afbreken van milieutoxines, " zegt Fredrik Westerlund, Professor bij de afdeling Biologie en Biotechnologie van Chalmers.

Het ontwikkelen van betere katalysatormaterialen is noodzakelijk voor een duurzame toekomst en er is grote maatschappelijke en economische winst te behalen.

"Als katalytische nanodeeltjes optimaal kunnen worden verfijnd, de samenleving zou er enorm veel baat bij hebben. In de chemische industrie bv. door bepaalde processen slechts een paar procent effectiever te maken, kan dit leiden tot een aanzienlijk hogere omzet, evenals drastisch verminderde milieueffecten, ", zegt onderzoeksprojectleider Christoph Langhammer, Professor bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers.