Подобно тому, как человек разнимает кошачью драку, роль катализаторов в химической реакции состоит в том, чтобы ускорить процесс—и выйти из него целым. И точно так же, как не в каждом доме по соседству есть кто-то, готовый вмешаться в такую битву, не каждая часть катализатора участвует в реакции. Но что, если удастся убедить не задействованные части катализатора принять участие? Химические реакции могут протекать быстрее и эффективнее.

Ученые-материалисты Стэнфордского университета во главе с Дженнифер Дионн сделали именно это, используя свет и передовые методы изготовления и характеристики, чтобы наделить катализаторы новыми способностями.

В эксперименте с доказательством концепции катализаторами служили палладиевые стержни, которые были примерно 1/200 ширины человеческого волоса. Исследователи поместили эти наностержни над золотыми нанобарами, которые фокусировали и "лепили" свет вокруг катализатора. Этот скульптурный свет изменил области на наностержнях, где происходили химические реакции, которые высвобождали водород. Эта работа, опубликованная 14 января в журнале Science, может стать первым шагом на пути к более эффективным катализаторам, новым формам каталитических превращений и, возможно, даже катализаторам, способным поддерживать более одной реакции одновременно.

"Это исследование является важным шагом в реализации катализаторов, оптимизированных от атомного масштаба до реакторного", - сказал Дионн, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии, который является старшим автором статьи. "Цель состоит в том, чтобы понять, как при соответствующей форме и составе мы можем максимизировать реакционную площадь катализатора и контролировать, какие реакции происходят."

Мини-лаборатория

Просто возможность наблюдать эту реакцию требовала исключительного микроскопа, способного визуализировать активный химический процесс в чрезвычайно малых масштабах. "Трудно наблюдать, как катализаторы изменяются в условиях реакции, потому что наночастицы чрезвычайно малы", - сказала Кэтрин Сытву, бывшая аспирантка лаборатории Дионна и ведущий автор статьи. "Особенности атомного масштаба катализатора обычно диктуют, где происходит трансформация, и поэтому очень важно различать, что происходит внутри маленькой наночастицы."

Для этой конкретной реакции—и последующих экспериментов по управлению катализатором—микроскоп также должен был быть совместим с введением газа и света в образец.

Чтобы достичь всего этого, исследователи использовали экологический просвечивающий электронный микроскоп в Стэнфордском Наноцентре со специальной насадкой, ранее разработанной лабораторией Дионна, для введения света. Как следует из их названия, просвечивающие электронные микроскопы используют электроны для изображения образцов, что позволяет получить более высокий уровень увеличения, чем классический оптический микроскоп, и экологическая особенность этого микроскопа означает, что газ может быть добавлен в то, что в противном случае является безвоздушной средой.

"У вас в основном есть мини-лаборатория, где вы можете проводить эксперименты и визуализировать то, что происходит на почти атомном уровне",-сказал Сытву.

При определенных условиях температуры и давления богатый водородом палладий высвобождает свои атомы водорода. Чтобы увидеть, как свет повлияет на эту стандартную каталитическую трансформацию, исследователи настроили золотую нанобару, разработанную с использованием оборудования в Стэнфордском Наноцентре и Стэнфордском Нанофабрикационном центре, чтобы она сидела под палладием и действовала как антенна, собирая входящий свет и направляя его на соседний катализатор.

"Сначала нам нужно было понять, как эти материалы трансформируются естественным образом. Затем мы начали думать о том, как мы могли бы модифицировать и фактически контролировать, как эти наночастицы изменяются", - сказал Сытву.

Без света наиболее реактивными точками дегидрирования являются два кончика нанорода. Затем реакция проходит через нанород, по пути выделяя водород. Однако с помощью света исследователи смогли манипулировать этой реакцией так, чтобы она распространялась от середины наружу или от одного кончика к другому. Основываясь на расположении золотой нанобары и условиях освещения, исследователям удалось создать множество альтернативных горячих точек.

Разрыв связей и прорывы

Эта работа является одним из редких примеров, показывающих, что можно настроить поведение катализаторов даже после их изготовления. Это открывает значительный потенциал для повышения эффективности на уровне одного катализатора. Один катализатор может играть роль многих, используя свет для выполнения нескольких одинаковых реакций на своей поверхности или потенциально увеличивая количество мест для реакций. Управление светом также может помочь ученым избежать нежелательных, посторонних реакций, которые иногда происходят наряду с желаемыми. Самая желанная цель Дионна-когда-нибудь разработать эффективные катализаторы, способные расщеплять пластик на молекулярном уровне и превращать его обратно в исходный материал для переработки.

Дионн подчеркнул, что эта работа и все, что последует дальше, будет невозможна без общих возможностей и ресурсов, имеющихся в Стэнфорде. (Эти исследователи также использовали Стэнфордский исследовательский вычислительный центр для анализа данных.) Большинство лабораторий не могут позволить себе иметь это современное оборудование самостоятельно, поэтому совместное использование его увеличивает доступ и экспертную поддержку.

"То, что мы можем узнать о мире и как мы можем сделать следующий большой прорыв, так критически важно для общих исследовательских платформ", - сказал Дионн, который также является старшим заместителем вице-проректора по исследовательским платформам/общим объектам. "Эти пространства предлагают не только критические инструменты, но и действительно удивительное сообщество исследователей."

ИСТОЧНИК