(Phys.org)—Genom att ändra hastigheten med vilken kemiska reaktioner äger rum, nanopartikelkatalysatorer fyller otaliga roller inom industrin, den biomedicinska arenan och vardagen. De kan användas för tillverkning av polymerer och biobränslen, för att förbättra förorenings- och utsläppskontrollanordningar, för att förbättra reaktioner som är nödvändiga för bränslecellsteknologi och för syntes av nya läkemedel. Att hitta nya och mer effektiva nanopartikelkatalysatorer för att utföra dessa användbara funktioner är därför avgörande.

Nu Nongjian (NJ) Tao, en forskare vid Arizona State Universitys Biodesign Institute, har hittat ett smart sätt att mäta katalytiska reaktioner av enstaka nanopartiklar och flera partiklar tryckta i arrayer, som kommer att hjälpa till att karakterisera och förbättra befintliga nanopartikelkatalysatorer, och avancera sökningen efter nya.

De flesta katalytiska material som syntetiseras i laboratorier innehåller partiklar med olika storlekar och former, var och en har olika elektrokatalytiska aktiviteter, men de konventionella metoderna mäter de genomsnittliga egenskaperna hos många nanopartiklar, som smetar ut egenskaperna hos enskilda nanopartiklar.

"Förmågan att mäta katalytiska reaktioner av enstaka nanopartiklar gör det möjligt att bestämma förhållandet mellan effektiviteten av en katalytisk reaktion  och storleken, form, och nanopartikelns sammansättning." förklarade Tao. "En sådan avbildningsförmåga gör det också möjligt att avbilda arrayer av nanopartikelkatalytiska reaktioner, som kan användas för snabb screening av olika nanopartiklar, " han lade till.

I den aktuella studien, platinananopartiklar som fungerar som elektrokemiska katalysatorer undersöks med hjälp av den nya tekniken, känd som plasmonisk elektrokemisk avbildning. Metoden kombinerar den rumsliga upplösningen av optisk detektering med den höga känsligheten och selektiviteten hos elektrokemisk igenkänning.

Resultaten av studien visas i veckans avancerade onlineupplaga av tidskriften Naturens nanoteknik .

Scanning electrochemical microscopy (SECM) har använts för att avbilda elektrokemiska reaktioner genom att mekaniskt skanna en provyta med hjälp av en mikroelektrod. I denna process, men bildhastigheten är begränsad och närvaron av själva mikroelektroden kan påverka provet och förändra resultaten.

Den nya metoden bygger istället på att avbilda elektrokemiska reaktioner optiskt baserade på fenomenet ytplasmonresonans. Ytplasmoner är oscillationer av fria elektroner i en metallelektrod, och kan skapas och detekteras med ljus. Varje elektrokemisk reaktion åtföljs av utbyte av elektroner mellan reaktanter och elektroder, och de konventionella elektrokemiska metoderna, inklusive SECM, upptäcka elektronerna.

"Vår metod är att mäta elektrokemiska reaktioner utan att direkt detektera elektronerna." sa Tao. "Knepet är att upptäcka omvandlingen av reaktanten till reaktionsprodukter i samband med utbyte av elektroner." Sådan omvandling i närheten av elektroden påverkar plasmonet, orsakar förändringar i ljusreflektion, som tekniken omvandlar till en optisk bild.

Med hjälp av plasmonisk elektrokemisk strömavbildning, Taos grupp undersökte den elektrokatalytiska aktiviteten hos platinananopartiklar tryckta i en mikromatris på en tunnfilmselektrod i guld, demonstrerar för första gången genomförbarheten av screening med hög genomströmning av nanopartiklars katalytiska aktiviteter.

Dessutom, den nya studien visar att samma metod kan användas för att undersöka enskilda nanopartiklar. När en elektrisk potential appliceras på elektroden och cirkulerar genom en rad värden, nanopartiklar visas tydligt som fläckar på arrayen. Effekten kan ses i medföljande videor, där nanopartikelfläckar "utvecklas" över tiden när potentialen förändras, ungefär som en polaroidbild gradvis dyker upp.

Mikroarrayer med olika ytdensiteter av nanopartiklar producerades också för studien. Resultaten visade att elektrokatalytisk ström vid en given potential ökar proportionellt med nanopartikeldensiteten. Ytterligare, när individuella nanopartiklar karakteriserades med SPR-mikroskopi, atomkraftsmikroskopi (AFM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM), god överensstämmelse visades mellan resultaten, ytterligare validera den nya tekniken.

Tao noterar att i princip, plasmonisk elektrokemisk avbildning – en snabb och icke-invasiv teknik som erbjuder de kombinerade fördelarna med optisk och elektrokemisk detektion – kan tillämpas på andra fenomen för vilka konventionella elektrokemiska detektionsmetoder för närvarande används.