Många reaktioner som vi använder för att producera kemiska föreningar i mat, medicinsk, och industriområden skulle inte vara genomförbara utan användning av katalysatorer. En katalysator är ett ämne som, även i små mängder, accelererar hastigheten för en kemisk reaktion och ibland tillåter den att inträffa vid mildare förhållanden (lägre temperatur och tryck). En bra katalysator kan ibland multiplicera genomströmningen av en reaktor i industriell skala eller raka sig mer än 100 ° C från dess arbetstemperatur.

Det är ingen överraskning, sedan, att katalysatorforskning är avgörande för att göra kemiska reaktioner mer effektiva. Ett framväxande tillvägagångssätt som har observerats för att ge dessa fördelar är att värma metallnanopartiklarna i vissa katalysatorer direkt med hjälp av mikrovågor istället för konventionella enhetliga uppvärmningstekniker. Metallnanopartiklar i katalysatorer interagerar starkt med mikrovågor och tros värmas upp selektivt. Dock, forskare har rapporterat motstridiga resultat när de använder detta tillvägagångssätt, och att förstå effekten som selektiv uppvärmning av nanopartiklarna har på kemiska reaktioner är svårt eftersom inga metoder för att mäta deras lokala temperatur har hittats ännu.

Nu, forskare vid Tokyo Tech under ledning av professor Yuji Wada tar itu med detta problem och visar ett nytt tillvägagångssätt för att mäta den lokala temperaturen hos platinananopartiklar i en fast katalysator. Deras metod, som beskrivs i deras studie publicerad i Kommunikationskemi , förlitar sig på spektroskopi av röntgenabsorption fin struktur (XAFS), som, som namnet antyder, ger information om de små lokala strukturerna i ett material med hjälp av röntgenstrålar.

Vid utökade XAFS -svängningar, ett värde som kallas Debye-Waller-faktorn kan härledas. Denna faktor består av två termer; en relaterad till strukturell störning, och en relaterad till termisk störning. Om katalysatorns struktur inte ändras vid mikrovågsuppvärmning, alla variationer i Debye-Waller-faktorn måste bero på termiska variationer. Därför, XAFS kan användas för att indirekt mäta temperaturen på metallnanopartiklar.

Teamet av forskare testade detta tillvägagångssätt i platina på aluminiumoxid och platina på kiseldioxidkatalysatorer för att ta reda på i vilken utsträckning mikrovågor kan selektivt värma platinananopartiklarna istället för deras stödmaterial. Mikrovågsuppvärmning visade sig ge en markant temperaturskillnad mellan NP och stöd. En serie jämförande experiment visade att en högre lokal temperatur för metallnanopartiklarna i katalysatorer är avgörande för att få högre reaktionshastigheter vid samma temperatur.

Spännande över resultaten, Prof Wada anmärker, "Detta arbete är det första som presenterar en metod för bedömning av de lokala temperaturerna för nanopartiklar och deras effekt på katalytiska reaktioner. Vi drar slutsatsen att lokal uppvärmning av platina -nanopartiklar är effektiv för att påskynda kemiska reaktioner som involverar platina själv, presenterar ett praktiskt tillvägagångssätt för att uppnå en dramatisk förbättring av katalytiska reaktioner med hjälp av mikrovågsuppvärmning. "

Dessa fynd representerar ett genombrott för att förbättra vår förståelse av mikrovågsuppvärmningens roll för att förbättra katalytisk prestanda. Dr. Tsubaki tillägger, "Effektiv energikoncentration på de aktiva platserna för katalysatorer - metallnanopartiklarna i det här fallet - borde bli en kritisk strategi för att utforska mikrovågskemi för att uppnå effektiv energianvändning för reaktioner och för att möjliggöra mildare förhållanden för reaktionsacceleration." Denna nya insikt om katalytiska processer kommer förhoppningsvis att spara massor av energi på lång sikt genom att få reaktorer att fungera smartare, inte svårare.