Steuerung chemischer Katalysatoren mit Licht
Diese Arbeit könnte zu effizienteren - und potenziell neuen - Formen der Katalyse führen
Wie eine Person, die einen Zickenkrieg unterbricht, besteht die Rolle von Katalysatoren in einer chemischen Reaktion darin, den Prozess zu beschleunigen - und unversehrt aus ihm herauszukommen. Und so wie es nicht in jedem Haus in der Nachbarschaft jemanden gibt, der bereit ist, in einen solchen Kampf einzugreifen, beteiligt sich auch nicht jeder Teil eines Katalysators an der Reaktion. Was aber, wenn man die nicht beteiligten Teile eines Katalysators überzeugen könnte, sich zu beteiligen? chemische Reaktionen könnten schneller oder effizienter ablaufen.
Darstellung des Versuchsaufbaus, bei dem Palladium-Nanostäbchen auf Gold-Nanostäben liegen. In diesem Bild wird ein Elektronenstrahl auf die Probe gerichtet, um die katalytischen Wechselwirkungen zwischen den Wasserstoffmolekülen (in grün) und dem Palladiumkatalysator zu beobachten. Das Licht, das die Beleuchtung antreibt, ist in rot dargestellt.
Katherine Sytwu
Materialwissenschaftler der Stanford University unter der Leitung von Jennifer Dionne haben genau das getan, indem sie Licht und fortschrittliche Herstellungs- und Charakterisierungstechniken eingesetzt haben, um Katalysatoren mit neuen Fähigkeiten auszustatten.
In einem Proof-of-Concept-Experiment dienten Stäbchen aus Palladium, die etwa 1/200 der Breite eines menschlichen Haares hatten, als Katalysatoren. Die Forscher platzierten diese Nanostäbchen über Gold-Nanostäben, die das Licht um den Katalysator herum fokussierten und "modellierten". Dieses modellierte Licht veränderte die Bereiche auf den Nanostäbchen, in denen chemische Reaktionen - die Wasserstoff freisetzen - stattfanden. Diese Arbeit, die am 14. Januar in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, könnte ein erster Schritt in Richtung effizienterer Katalysatoren, neuer Formen katalytischer Umwandlungen und möglicherweise sogar Katalysatoren sein, die in der Lage sind, mehr als eine Reaktion auf einmal zu unterstützen.
"Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt in der Realisierung von Katalysatoren, die von der atomaren Skala bis zur Reaktor-Skala optimiert sind", sagte Dionne, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, der Senior-Autor der Arbeit ist. "Das Ziel ist es zu verstehen, wie wir mit der richtigen Form und Zusammensetzung die reaktive Fläche des Katalysators maximieren und kontrollieren können, welche Reaktionen ablaufen."
Ein Mini-Labor
Um diese Reaktion beobachten zu können, brauchte man ein außergewöhnliches Mikroskop, das in der Lage ist, einen aktiven chemischen Prozess in einem extrem kleinen Maßstab abzubilden. "Es ist schwierig zu beobachten, wie sich Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen verändern, weil die Nanopartikel extrem klein sind", sagt Katherine Sytwu, eine ehemalige Doktorandin im Dionne-Labor und Hauptautorin der Arbeit. "Die Eigenschaften eines Katalysators auf atomarer Ebene diktieren im Allgemeinen, wo eine Umwandlung stattfindet, und deshalb ist es entscheidend, zu unterscheiden, was innerhalb des kleinen Nanopartikels passiert."
Für diese spezielle Reaktion - und die späteren Experimente zur Kontrolle des Katalysators - musste das Mikroskop auch mit der Einführung von Gas und Licht in die Probe kompatibel sein.
Um all dies zu erreichen, benutzten die Forscher ein Transmissionselektronenmikroskop an den Stanford Nano-Shared Facilities mit einem speziellen Aufsatz, der zuvor vom Dionne-Labor entwickelt wurde, um Licht einzuführen. Wie der Name schon sagt, verwenden Transmissionselektronenmikroskope Elektronen, um Proben abzubilden, was einen höheren Vergrößerungsgrad als ein klassisches optisches Mikroskop ermöglicht, und die Umwelteigenschaft dieses Mikroskops bedeutet, dass Gas in eine ansonsten luftlose Umgebung eingebracht werden kann.
"Man hat im Grunde ein Mini-Labor, in dem man Experimente durchführen und visualisieren kann, was auf nahezu atomarer Ebene passiert", sagt Sytwu.
Unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen gibt das wasserstoffreiche Palladium seine Wasserstoffatome ab. Um zu sehen, wie Licht diese katalytische Standardumwandlung beeinflusst, haben die Forscher einen Gold-Nanobar - der mit Hilfe von Geräten der Stanford Nano-Shared Facilities und der Stanford Nanofabrication Facility entwickelt wurde - so angepasst, dass er unter dem Palladium sitzt und als Antenne fungiert, die das einfallende Licht auffängt und zum nahe gelegenen Katalysator leitet.
"Zuerst mussten wir verstehen, wie sich diese Materialien auf natürliche Weise umwandeln. Dann begannen wir darüber nachzudenken, wie wir die Veränderung dieser Nanopartikel modifizieren und tatsächlich kontrollieren können", sagt Sytwu.
Ohne Licht sind die reaktivsten Punkte der Dehydrierung die beiden Spitzen der Nanostäbchen. Die Reaktion wandert dann durch den Nanostab und spaltet unterwegs Wasserstoff ab. Mit Licht konnten die Forscher diese Reaktion jedoch so manipulieren, dass sie von der Mitte nach außen oder von einer Spitze zur anderen wanderte. Je nach Lage des Gold-Nanobars und den Beleuchtungsbedingungen konnten die Forscher verschiedene alternative Hotspots erzeugen.
Bindungen brechen und Durchbrüche schaffen
Diese Arbeit ist einer der seltenen Fälle, die zeigen, dass es möglich ist, das Verhalten von Katalysatoren zu verändern, auch nachdem sie hergestellt wurden. Sie eröffnet ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Effizienz auf Einzelkatalysator-Ebene. Ein einzelner Katalysator könnte die Rolle von vielen spielen, indem er mit Hilfe von Licht mehrere der gleichen Reaktionen auf seiner Oberfläche durchführt oder möglicherweise die Anzahl der Stellen für Reaktionen erhöht. Die Steuerung des Lichts könnte den Wissenschaftlern auch helfen, unerwünschte, fremde Reaktionen zu vermeiden, die manchmal neben den gewünschten auftreten. Dionnes ehrgeizigstes Ziel ist es, eines Tages effiziente Katalysatoren zu entwickeln, die in der Lage sind, Kunststoff auf molekularer Ebene aufzuspalten und ihn für das Recycling in sein Ausgangsmaterial zurückzuverwandeln.
Dionne betonte, dass diese Arbeit, und was auch immer als nächstes kommt, ohne die gemeinsam genutzten Einrichtungen und Ressourcen in Stanford nicht möglich wäre. (Diese Forscher nutzten auch das Stanford Research Computing Center für ihre Datenanalyse). Die meisten Labore können sich diese fortschrittliche Ausrüstung nicht selbst leisten, so dass die gemeinsame Nutzung den Zugang und die Unterstützung durch Experten verbessert.
"Was wir über die Welt lernen können und wie wir den nächsten großen Durchbruch ermöglichen können, wird so entscheidend durch gemeinsam genutzte Forschungsplattformen ermöglicht", sagte Dionne, der auch Senior Associate Vice Provost für Forschungsplattformen/Shared Facilities ist. "Diese Räume bieten nicht nur wichtige Werkzeuge, sondern auch eine wirklich erstaunliche Gemeinschaft von Forschern."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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