Defekter och taggiga ytor vid kanterna av nanostora platina- och guldpartiklar är viktiga hot spots för kemisk reaktivitet, ett team av forskare som arbetar vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Hebrew University of Jerusalem i Israel bekräftade med en unik infraröd sond.

Experiment som detta borde hjälpa forskare att anpassa de strukturella egenskaperna hos katalysatorer för att göra dem mer effektiva för att främja kemiska reaktioner.

Studien, publicerad 11 januari in Natur , är ett viktigt steg i att beskriva hur atomstrukturen hos nanopartiklar påverkar deras funktion som katalysatorer i kemiska reaktioner. Katalysatorer, som spelar en roll i produktionen av många industriprodukter, som gödselmedel, bränsle, och plast, är material som kan påskynda kemiska reaktioner och göra dem mer effektiva samtidigt som de förblir oförändrade i processen.

Forskare har känt till att material kan bete sig annorlunda på nanoskala än de gör i större mängder, och att anpassning av deras storlek och form kan förbättra deras egenskaper för specifika användningsområden. Denna nya teknik pekade ut områdena på enstaka metallpartiklar - som mäter cirka 100 nanometer - är mest aktiva i kemiska reaktioner.

Forskare kombinerade ett brett spektrum av infrarött ljus, producerad av Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), med ett atomkraftmikroskop för att avslöja olika nivåer av kemisk reaktivitet vid kanterna av enstaka platina- och guldnanopartiklar jämfört med deras släta, plana ytor.

De använde en unik förmåga på ALS, dubbade SINS (för synkrotronstrålningsbaserad infraröd nanospektroskopi), att utforska den detaljerade kemin som förekommer på ytan av partiklarna, och uppnådde upplösning ner till 25 nanometer.

"Det låter dig se allt detta samspel i kemi, sa Michael Martin, en senior forskare med ansvar för infraröda strållinjer vid ALS. "Det är det som gör det här speciellt."

Hans Bechtel, en forskare vid Berkeley Lab som arbetar vid ALS infraröda strållinjer, Lagt till, "Du kan samtidigt se reaktanter och de produkter som bildas i reaktioner."

I experimentet, forskare täckte metallpartiklarna med ett lager av reaktiva molekyler och fokuserade det ALS-producerade infraröda ljuset på den lilla spetsen (25 nanometer i dess diameter) av atomkraftsmikroskopet.

Mikroskopets spets, i kombination med det högfokuserade infraröda ljuset, fungerade som en extremt känslig antenn för att kartlägga ytstrukturen hos enskilda nanopartiklar samtidigt som de avslöjade deras detaljerade ytkemi.

"Vi kunde se det exakta fingeravtrycket av molekyler på ytan av partiklarna och validera en välkänd hypotes inom katalysområdet, sa Elad Gross, en fakultetsmedlem vid Institute of Chemistry och Center for Nanoscience and Nanotechnology vid Hebrew University of Jerusalem, som ledde studien tillsammans med F. Dean Toste, en fakultetsforskare vid avdelningen för kemiska vetenskaper vid Berkeley Lab och professor vid UC Berkeleys avdelning för kemi.

Att känna till den exakta energinivån som behövs för att utlösa kemiska reaktioner (aktiveringsenergin) är nyckeln för att optimera reaktioner, och kan minska kostnaderna i industriell skala genom att spara energi.

"Denna teknik har förmågan att berätta inte bara var och när en reaktion inträffade, men också för att bestämma aktiveringsenergin för reaktionen på olika platser, "Sade Gross. "Vad du har här är ett verktyg som kan ta itu med grundläggande frågor i katalysforskning. Vi visade att områden som är mycket defekta på atomnivå är mer aktiva än släta ytor."

Denna egenskap hänför sig till den lilla storleken på partiklarna, Grovt noterat. "När partikelstorleken minskar, strukturen är mindre enhetlig och du har fler defekter, " han sa.

Mindre partiklar har högre yta per partikel än större partiklar, vilket innebär att fler atomer kommer att finnas vid kanterna. Atomer vid partiklarnas kanter har färre grannar än de längs dess släta ytor, och färre grannar innebär mer frihet att delta i kemi med andra element.

Eftersom de studerade kemiska reaktionerna sker mycket snabbt - på mindre än en sekund - och ALS-tekniken kan ta cirka 20 minuter att skanna en enda fläck på en partikel, forskarna använde ett lager av kemiskt aktiva molekyler, som var fästa på partikelns yta, som markörer för den katalytiska reaktiviteten.

Den katalytiska reaktionen i studien var analog med vad som sker i bensindrivna fordons katalysatorer. Katalysatorer använder platinapartiklar och andra material för att omvandla bilavgaser till mindre giftiga utsläpp.

Framtida experiment som planeras med hjälp av SINS-tekniken kommer att fokusera på att dokumentera aktiva kemiska processer som använder kontrollerade flöden av gaser eller vätskor för att utlösa reaktioner, forskare sa, och framtida experiment kan använda varierande tryck och temperatur för att mäta effekter.

"Jag tror att det här kommer att bli ett mycket intressant verktyg för ytterligare experiment och analyser som kan svara på många frågor som inte kunde besvaras tidigare, " Gross sa. "Det här verktyget ger oss möjlighet att få bättre upplösning med tre storleksordningar än vissa andra tekniker, vilket har öppnat ett mycket brett fält för katalys och ytkemistudier."

Framtida studier kan också tänkas kombinera infraröd- och röntgenbaserade metoder vid ALS för att samla in rikare kemisk information, sa forskare. Det finns redan planer på en ny infraröd strållinje vid ALS som kommer att öka kapaciteten och kapaciteten för infraröda kemiska studier och även lansera infrarödbaserade 3-D strukturella studier vid ALS.