Med hjälp av en ny typ av nanoreaktor, forskare vid Chalmers tekniska universitet, Sverige, har kartlagt katalytiska reaktioner på enskilda metalliska nanopartiklar. Deras arbete kan förbättra kemiska processer, och leda till bättre katalysatorer och mer miljövänlig kemisk teknik. Resultaten publiceras i tidskriften Naturkommunikation .

Katalysatorer ökar graden av kemiska reaktioner. De spelar en viktig roll i många viktiga industriella processer, inklusive tillverkning av bränslen och läkemedel, och begränsa skadliga fordonsutsläpp. De är också viktiga byggstenar för ny hållbar teknik som bränsleceller som genererar elektricitet genom en reaktion mellan syre och väte. Katalysatorer kan också bidra till att bryta ner miljögifter genom att rengöra giftiga kemikalier från vatten, till exempel.

För att designa mer effektiva katalysatorer för framtiden, grundläggande kunskap behövs, såsom att förstå katalys på nivån av individuella aktiva katalytiska partiklar.

För att visualisera svårigheten att förstå katalytiska reaktioner idag, tänk dig en publik på en fotbollsmatch, där ett antal åskådare lyser upp bloss. Röken sprider sig snabbt, och när ett rökmoln har bildats över mängden, det är nästan omöjligt att säga vem som egentligen tänder blossen, eller hur kraftigt var och en brinner. De kemiska reaktionerna vid katalys sker på ett jämförbart sätt. Miljontals enskilda partiklar är inblandade, och det är för närvarande mycket svårt att spåra och bestämma rollerna för varje specifik, inklusive hur effektiva de är och hur mycket var och en har bidragit till reaktionen.

Det är därför nödvändigt att undersöka den katalytiska processen på nivån för enskilda nanopartiklar. Den nya nanoreaktorn har gjort det möjligt för Chalmersforskarna att göra detta. Reaktorn består av cirka 50 glas nanotunnlar fyllda med vätska och anordnade parallellt. I varje tunnel, forskarna placerade en enda guld -nanopartikel. Även om de är av liknande storlek, varje nanopartikel har olika katalytiska egenskaper - vissa är mycket effektiva, andra avgjort mindre optimala. För att kunna urskilja hur storlek och nanostruktur påverkar katalys, forskarna mätte katalys på partiklarna individuellt.

"Vi skickade in nanotunnlarna två typer av molekyler som reagerar med varandra. En molekyltyp är fluorescerande och avger ljus. Ljuset slocknar bara när det möter en partner av den andra typen på ytan av nanopartiklarna, och en kemisk reaktion mellan molekylerna sker. Genom att observera denna utrotning av "ljuset i slutet av nanotunneln" nedströms nanopartiklarna fick vi att spåra och mäta effektiviteten hos varje nanopartikel vid katalysering av den kemiska reaktionen, säger Sune Levin, doktorand vid Institutionen för biologi och bioteknik vid Chalmers tekniska universitet, och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln.

Han utförde experimenten under överinseende av professorerna Fredrik Westerlund och Christoph Langhammer. Den nya nanoreaktorn är ett resultat av ett brett samarbete mellan forskare vid flera olika avdelningar på Chalmers.

"Effektiv katalys är avgörande för både syntes och sönderdelning av kemikalier. Till exempel, katalysatorer är nödvändiga för tillverkning av plast, läkemedel och bränslen på bästa sätt, och effektivt bryta ner miljögifter, säger Fredrik Westerlund, Professor vid institutionen för biologi och bioteknik på Chalmers.

Att utveckla bättre katalysatormaterial är nödvändigt för en hållbar framtid och det finns stora sociala och ekonomiska vinster att göra.

"Om katalytiska nanopartiklar skulle kunna förädlas optimalt, samhället kan dra enorm nytta. I den kemiska industrin till exempel, att göra vissa processer bara några procent effektivare kan leda till betydligt ökade intäkter, samt drastiskt minskade miljöpåverkan, "säger forskningsprojektledare Christoph Langhammer, Professor vid Institutionen för fysik på Chalmers.