(Phys.org) — Ytkatalysatorer är notoriskt svåra att studera mekaniskt, men forskare vid University of South Carolina och Rice University har visat hur man får reaktionsinformation i realtid från Ag nanokatalysatorer som länge har frustrerat försök att beskriva deras kinetiska beteende i detalj.

Nyckeln till lagets framgång var att överbrygga en storleksgap som hade representerat en stor klyfta för forskare tidigare. För att vara effektiva som nanokatalysatorer, ädelmetaller som Au, Pt, Pd och Ag måste vanligtvis vara nanopartiklar mindre än 5 nm, säger Hui Wang, en biträdande professor i kemi och biokemi vid South Carolina som ledde teamet i samarbete med Peter Nordlander från Rice University.

Tyvärr, 5 nm är under storlekströskeln vid vilken plasmonresonans effektivt kan utnyttjas. Plasmonresonans är ett fenomen som ger upphov till en dramatisk förbättring av stötande elektromagnetiska signaler, som är grunden för analytiska tekniker såsom ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS).

Förmågan att utnyttja den analytiska kraften hos plasmonresonans i ett nanomaterial kräver större nanopartiklar, "minst tiotals nanometer i diameter, " säger Wang. Inkompatibiliteten mellan de två storleksregimerna hade länge uteslutit användningen av en rad spektrala tekniker baserade på plasmonresonans – SERS är bara en – på nanokatalysatorer av ädelmetall under 5 nm.

Men som de precis rapporterade in Nanobokstäver , Wang och hans team lyckades kombinera det bästa av två storleksvärldar.

Börjar med kubiska nanopartiklar cirka 50 nm breda och 120 nm långa, de etsade kemiskt plana ytor på ett sätt som genererade krökta ytor, skapa nanopartiklar som framgångsrikt katalyserade en modell för ythydreringsreaktion. Enligt teamet, katalysen är resultatet av att lågenergiatomer på den plana ytan ersätts med exponerade atomer efter etsning.

"Om du har en plan yta, koordinationstalet för varje enskild ytatom är antingen åtta eller nio, " säger Wang om deras nanopartiklar, som hade en yta av ren Ag före etsningen. "Men om du har några atomsteg på en yta, samordningsnumret kommer att minska. Dessa exponerade atomer är mer aktiva."

Den stegade ytan på det etsade nanomaterialet efterliknar således miljön hos en nanopartikel under 5 nm:mer exponerad, aktiva ytatomer kan delta i katalys.

Och katalysen är på en nanopartikel med plasmonisk aktivitet, som forskarna visade kan "stämmas" genom att variera formen och storleken på nanopartiklarna. Teamet demonstrerade förmågan att omvandla kuboider (något som en kort stång men med fyrkantiga snarare än runda sidor) till vad de kallade "nanorice" och "nanohantlar" genom två olika typer av kemisk etsning. De två formerna hade distinkta plasmoniska egenskaper som kunde varieras genom att stoppa etsningen i olika stadier för att skapa olika storlekar och former av ris och hantlar i nanoskala.

Den plasmoniska aktiviteten kan utnyttjas för SERS och andra analytiska tekniker för att studera katalytiska reaktioner i detalj när de inträffar.

"Raman-spektroskopi är extremt kraftfull, med information om molekylära fingeravtryck – du kan se strukturerna, du kan se hur molekylerna är orienterade på ytan, " säger Wang. "Om du vill använda GC, HPLC, eller massspecifikation, du måste skada ett prov, men här kan du faktiskt övervaka reaktionen i realtid.

"Och det finns mycket mer information med detta tillvägagångssätt. Till exempel, vi identifierade mellanprodukten längs reaktionsvägen. Med dessa andra tillvägagångssätt, det är verkligen svårt att göra det."