Forskare är entusiastiska över möjligheten att ta bort katalysatorer till enstaka atomer. Fäst i miljoner till en stödjande yta, de kunde erbjuda det ultimata i hastighet och specificitet.

Nu har forskare tagit ett viktigt steg mot att förstå enatomskatalysatorer genom att medvetet justera hur de är fästa på ytorna som stöder dem - i det här fallet ytorna på nanopartiklar. De fäste en platinaatom till varje nanopartikel och observerade hur förändring av kemin på partikelns yta och arten av fästet påverkade hur angelägen atomen var att katalysera reaktioner.

Nyckelexperiment för studien ägde rum vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, och resultaten rapporterades i Naturmaterial i går.

"Vi tror att detta är första gången reaktiviteten hos en metallisk enatomskatalysator har spårats till ett specifikt sätt att fästa den på en viss bärande struktur. Den här studien är också unik när det gäller att systematiskt kontrollera den vidhäftningen, " sade Simon R. Bare, en framstående forskare vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och en medförfattare till studien.

"Detta är ett viktigt vetenskapligt genombrott, och att förstå på en grundläggande nivå hur strukturen relaterar till reaktiviteten kommer i slutändan att tillåta oss att designa katalysatorer för att vara mycket mer effektiva. Det finns ett stort antal människor som arbetar med det här problemet."

Hård behandling, bra resultat

Bare och andra SLAC-forskare var en del av en tidigare studie vid SSRL som fann att individuella iridiumatomer kunde katalysera en viss reaktion upp till 25 gånger mer effektivt än de iridiumnanopartiklar som används idag, som innehåller 50 till 100 atomer.

Denna senaste studie leddes av docent Phillip Christopher vid University of California, Santa Barbara. Den tittade på individuella atomer av platina som var fästa vid separata nanopartiklar av titandioxid i hans labb. Även om detta tillvägagångssätt förmodligen inte skulle vara praktiskt i en kemisk fabrik eller i din bils katalysator, det gav forskargruppen en utsökt fin kontroll över var atomerna var placerade och över miljön omedelbart runt dem, Sa Bare.

Forskare gav nanopartiklarna kemiska behandlingar – antingen hårda eller milda – och använde SSRL:s röntgenstrålar för att observera hur dessa behandlingar förändrade var och hur platinaatomerna fäste vid ytan.

Under tiden, forskare vid University of California, Irvine observerade direkt fästena och positionerna för platinaatomerna med elektronmikroskop, och forskare vid UC-Santa Barbara mätte hur aktiva platinaatomerna var i katalyserande reaktioner.

Att bryta igenom ytan

En platinaatom har sex bindningsställen där den kan ansluta sig till andra atomer. I obehandlade nanopartiklar, atomerna begravdes i ytan och var fast bundna till sex syreatomer vardera; de hade inga fria bindningsställen som kunde ta tag i andra atomer och starta en katalytisk reaktion.

I milt behandlade partiklar, platinaatomerna dök upp från ytan och var bundna till bara fyra syreatomer vardera, lämnar dem två fria bindningsställen och potentialen för mer katalytisk aktivitet.

Och i hårt behandlade partiklar, atomerna klamrade sig fast vid ytan med endast två bindningar, lämnar fyra bindningsställen fria. När forskarna testade förmågan hos de olika behandlade nanopartiklarna att katalysera en reaktion där kolmonoxid kombineras med syre för att bilda koldioxid – samma reaktion som sker i en bils katalysator – kom den här överst, Bare sa, with five times greater activity than the others.

"While this study shows the importance of understanding the dynamic nature of catalysts, " Christopher said, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."