• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Att gå runt:Realtidsbilder hjälper till att avslöja aktiva platser för fotokatalysatorer

    En bildlösning som utvecklats i samarbete mellan kemister inom Arts &Sciences och ingenjörer vid McKelvey School of Engineering avslöjar vilken roll syrevakanser spelar i den fotokatalytiska aktiviteten hos nanotrådar av volframoxid. Den nya forskningen har konsekvenser för förnybara energilösningar. Kredit:Shutterstock

    Nanoskala fotokatalysatorer är små, konstgjorda partiklar som skördar energi från solljus för att producera flytande bränslen och andra användbara kemikalier. Men även inom samma parti, partiklarna tenderar att variera kraftigt i storlek, form och ytsammansättning. Det gör det svårt för forskare att säga vad som verkligen gör jobbet.

    En bildlösning i realtid utvecklad vid Washington University i St. Louis kan hjälpa, som rapporterats i en ny studie i tidskriften ACS-katalys .

    "Utmaningen med att korrelera enmolekylära optiska bilder med specifika aktiva platser i katalysatorer i nanoskala är att den rumsliga upplösningen på 10 till 25 nanometer som tillhandahålls av denna teknik fortfarande är genomsnittlig över många atomer på ytan av katalysatorn - vilket gör det svårt att korrelera reaktionshändelser med katalysatorns struktur, sa Bryce Sadtler, biträdande professor i kemi i konst och vetenskap och medförfattare till den nya studien.

    Sadtler ville testa att avbilda katalytiska reaktioner med enmolekylär fluorescens ända sedan han kom till Washington University 2014. Projektet fick en rivstart efter att han introducerades för Matthew Lew, biträdande professor vid Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering vid McKelvey School of Engineering.

    "Efter flera diskussioner med Matt, vi var överens om att mikroskopihårdvaran och bildbehandlingen som han utvecklade för superupplösningsmikroskopi kunde ge ett kraftfullt verktyg för att få strukturell information om naturen hos de aktiva platserna i nanoskalakatalysatorer som tidigare var ouppnåeliga, sa Sadtler.

    För det nya arbetet som redovisas i ACS-katalys , forskarna avbildade individuella kemiska reaktioner som äger rum på ytan av enstaka nanotrådar av volframoxid, en typ av fotokatalysator i nanoskala som Sadtlers grupp syntetiserade för studien.

    De använde två olika kemiska reportrar som blir fluorescerande, eller tända, som svar på olika typer av reaktioner på ytan av nanotrådarna. Genom att analysera de rumsliga mönstren för var dessa kemiska reaktioner inträffar, de kunde belysa den kemiska strukturen av aktiva platser på ytan av nanotrådarna.

    Kredit:ACS Catalysis

    Forskarna fann att kluster av vakanser av syre längs nanotrådens yta aktiverar adsorberade vattenmolekyler under den fotokatalytiska genereringen av hydroxylradikaler - en viktig mellanprodukt i produktionen av kemiska bränslen, inklusive vätgas och metanol, från solljus.

    "Medan tidigare studier har fokuserat på isolerade syrevakanser, en typ av defekt som är vanlig i metalloxider, resultaten avslöjar betydelsen av en strukturell egenskap - kluster av syrevakanser - för att uppnå hög fotokatalytisk aktivitet, sa Sadtler.

    "Denna nya insikt ger en väg mot att designa fotokatalysatorer med ökad aktivitet för solljus-till-bränsleomvandling genom att kontrollera fördelningen av syrevakanser."

    Resultaten i sig – och processen som används för att avslöja dem – är båda spännande för forskarna.

    "Det är alltid en dröm att direkt observera de enskilda katalytiska omsättningarna på ytan av fasta katalysatorer medan den katalytiska omvandlingen pågår, sa Meikun Shen, en doktorand i kemi och första författare till den nya uppsatsen. "Jag kan bara tala för mig själv, det här är min personliga känsla!"

    Denna speciella avbildningsmetod ger detaljerad rumslig och tidsmässig information om den katalytiska processen - något som vanligtvis är osynligt för forskare som han, Shen förklarade.

    "I den här typen av experiment, de kemiska egenskaperna hos katalysatorn är vanligtvis svåra att avslöja, ", sade Shen. "Vi lyckades övervinna denna svårighet genom att använda två olika molekyler för att undersöka antingen aktiviteten eller den kemiska egenskapen hos samma katalysator. Den direkta korrelationen vi observerade är unik inom forskningsområdet heterogen katalys."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com