Som en person som bryter upp en kattbråk, Katalysatorernas roll i en kemisk reaktion är att skynda på processen – och komma ut ur den intakt. Och, precis som inte alla hus i ett grannskap har någon som är villig att ingripa i en sådan kamp, inte alla delar av en katalysator deltar i reaktionen. Men tänk om man kunde övertyga de oengagerade delarna av en katalysator att engagera sig? Kemiska reaktioner kan ske snabbare eller mer effektivt.

Materialforskare vid Stanford University under ledning av Jennifer Dionne har gjort just det genom att använda lätta och avancerade tillverknings- och karakteriseringstekniker för att ge katalysatorer nya förmågor.

I ett proof-of-concept-experiment, stavar av palladium som var ungefär 1/200:e av bredden på ett människohår fungerade som katalysatorer. Forskarna placerade dessa nanorods ovanför guldnanobarer som fokuserade och "skulpterade" ljuset runt katalysatorn. Detta skulpterade ljus förändrade områdena på nanoroderna där kemiska reaktioner - som frigör väte - ägde rum. Detta jobb, publicerad 14 januari in Vetenskap, kan vara ett tidigt steg mot effektivare katalysatorer, nya former av katalytiska transformationer och potentiellt till och med katalysatorer som kan upprätthålla mer än en reaktion samtidigt.

"Denna forskning är ett viktigt steg för att förverkliga katalysatorer som är optimerade från atomskalan till reaktorskalan, sa Dionne, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap som är senior författare till uppsatsen. "Syftet är att förstå hur, med lämplig form och sammansättning, vi kan maximera katalysatorns reaktiva yta och kontrollera vilka reaktioner som sker."

Ett minilabb

Att bara kunna observera denna reaktion krävde ett exceptionellt mikroskop, kan avbilda en aktiv kemisk process i extremt liten skala. "Det är svårt att observera hur katalysatorer förändras under reaktionsförhållanden eftersom nanopartiklarna är extremt små, sa Katherine Sytwu, en före detta doktorand i Dionne-labbet och huvudförfattare till tidningen. "En katalysators egenskaper i atomskala dikterar i allmänhet var en transformation sker, och därför är det avgörande att skilja på vad som händer inom den lilla nanopartikeln."

För denna speciella reaktion - och de senare experimenten med att kontrollera katalysatorn - måste mikroskopet också vara kompatibelt med införandet av gas och ljus i provet.

För att åstadkomma allt detta, forskarna använde ett miljötransmissionselektronmikroskop vid Stanford Nano-Shared Facilities med en speciell tillbehör, som tidigare utvecklats av Dionne-labbet, att introducera ljus. Som deras namn antyder, transmissionselektronmikroskop använder elektroner för att avbilda prover, som möjliggör en högre förstoringsgrad än ett klassiskt optiskt mikroskop, och den miljömässiga egenskapen hos detta mikroskop gör att gas kan tillsättas i vad som annars är en luftlös miljö.

"Du har i princip ett minilabb där du kan göra experiment och visualisera vad som händer på en nära atomär nivå, sa Sytwu.

Under vissa temperatur- och tryckförhållanden, väterikt palladium kommer att frigöra sina väteatomer. För att se hur ljus skulle påverka denna standardkatalytiska transformation, forskarna anpassade en guld nanobar – designad med hjälp av utrustning vid Stanford Nano-Shared Facilities och Stanford Nanofabrication Facility – för att sitta under palladium och fungera som en antenn, samla in det inkommande ljuset och kanalisera det till den närliggande katalysatorn.

"Först behövde vi förstå hur dessa material förvandlas naturligt. Sedan, vi började fundera på hur vi kunde modifiera och faktiskt kontrollera hur dessa nanopartiklar förändras, sa Sytwu.

Utan ljus, de mest reaktiva punkterna i dehydreringen är de två spetsarna på nanorod. Reaktionen går sedan genom nanorod, ploppar ut väte längs vägen. Med ljus, dock, forskarna kunde manipulera denna reaktion så att den färdades från mitten utåt eller från den ena spetsen till den andra. Baserat på platsen för guldnanobaren och belysningsförhållandena, forskarna lyckades ta fram en mängd alternativa hotspots.

Bandbrott och genombrott

Detta arbete är ett av de sällsynta fallen som visar att det är möjligt att justera hur katalysatorer beter sig även efter att de tillverkats. Det öppnar upp en betydande potential för att öka effektiviteten på singelkatalysatornivå. En enda katalysator kan spela rollen som många, använda ljus för att utföra flera av samma reaktioner över dess yta eller potentiellt öka antalet platser för reaktioner. Ljuskontroll kan också hjälpa forskare att undvika oönskade, främmande reaktioner som ibland uppstår vid sidan av önskade. Dionnes mest ambitiösa mål är att en dag utveckla effektiva katalysatorer som kan bryta ner plast på molekylär nivå och omvandla den tillbaka till sitt källmaterial för återvinning.

Dionne betonade att detta arbete, och vad som än kommer härnäst, skulle inte vara möjligt utan de gemensamma faciliteter och resurser som finns på Stanford. (Dessa forskare använde också Stanford Research Computing Center för att göra sin dataanalys.) De flesta labb har inte råd att ha denna avancerade utrustning på egen hand, så att dela det ökar åtkomsten och expertstödet.

"Vad vi kan lära oss om världen och hur vi kan möjliggöra nästa stora genombrott är så kritiskt möjliggjort av delade forskningsplattformar, sa Dionne, som också är senior associate vice provost för forskningsplattformar/delade anläggningar. "Dessa utrymmen erbjuder inte bara viktiga verktyg, men en riktigt fantastisk gemenskap av forskare."