纳米隧道尽头的光为将来的催化剂

 
查尔默斯工业大学开发的纳米反应器可观察单个催化纳米颗粒的活性。为了确定每个颗粒在催化过程中的效率，研究人员在单独的纳米通道中分离出单个金纳米颗粒。然后，它们发出两种在粒子表面相互反应的分子。一个分子(荧光素)是荧光的，当遇到其伴侣分子(硼氢化物)时，两者之间的反应会停止发光。这使得可以追踪催化过程。图片来源：Sune Levin和《自然通讯》，瑞典查尔默斯理工大学的研究人员使用新型的纳米反应器，在单个金属纳米颗粒上绘制了催化反应。他们的工作可以改善化学工艺，并带来更好的催化剂和更环保的化学技术。结果发表在《自然通讯》杂志上。
催化剂提高化学反应速率。它们在许多重要的工业过程中都发挥着至关重要的作用，包括制造燃料和药品以及限制有害的车辆排放。它们也是诸如燃料电池等新的可持续技术的重要组成部分，这些燃料电池通过氧气和氢气之间的反应发电。催化剂还可以通过例如从水中清除有毒化学物质来分解环境毒素。
为了为将来设计更有效的催化剂，需要基础知识，例如了解单个活性催化颗粒水平的催化作用。
为了直观地了解当今理解催化反应的难度，想象一下一场足球比赛中的一群人，许多观众在场上点燃火炬。烟雾迅速扩散，一旦人群中形成烟雾云，几乎不可能说出谁真正点燃了火把，或者每个人燃烧的强度如何。催化中的化学反应以类似的方式发生。涉及数以百万计的单个粒子，目前很难跟踪和确定每个特定粒子的作用，包括它们的有效性以及每个粒子对反应的贡献程度。
因此，有必要在单个纳米颗粒的水平上研究催化过程。新的纳米反应器使Chalmers研究人员可以做到这一点。反应器由约50个玻璃纳米隧道组成，玻璃隧道中充满液体并平行排列。研究人员在每个隧道中放置了一个金纳米粒子。尽管它们的大小相似，但每个纳米粒子具有不同的催化质量，有些是高效的，有些则肯定不是最佳的。为了能够辨别尺寸和纳米结构如何影响催化作用，研究人员分别测量了颗粒上的催化作用。
“我们将两种相互反应的分子送入纳米隧道。一种分子是荧光分子，会发光。只有在纳米颗粒表面遇到第二种分子的伴侣时，这种光才会熄灭，并且会发生化学反应。观察到纳米粒子下游的“纳米隧道末端的光”的消失，使我们能够跟踪和测量每个纳米粒子催化化学反应的效率，”该系的博士生Sune Levin说。查尔默斯理工大学生物与生物技术系主任，科学文章的主要作者。
他在Fredrik Westerlund教授和Christoph Langhammer教授的指导下进行了实验。新型纳米反应器是查默斯多个部门的研究人员广泛合作的结果。
“有效的催化作用对于化学物质的合成和分解都是必不可少的。例如，催化剂对于以最佳方式制造塑料，药物和燃料以及有效分解环境毒素是必不可少的，”生物学系教授Fredrik Westerlund说Chalmers的生物技术。
开发更好的催化剂材料对于可持续的未来是必不可少的，并且将取得巨大的社会和经济收益。
研究项目说：“如果可以优化催化纳米颗粒的使用，社会将获得巨大利益。例如，在化学工业中，使某些过程的效率提高百分之几就可以转化为收入的大幅增加，以及对环境的影响的大大减少。”领导者克里斯托夫·朗汉默(Christoph Langhammer)，查尔默斯大学物理系教授。