Ученые из Корнельского Университета (Cornell University) разработали метод, позволяющий наблюдать поведение отдельных наночастиц при нанокатализе с высоким разрешением.

Результаты, полученные учеными, показали, что не все наночастицы ведут себя одинаково в каталитических реакциях. Оказалось, что скорости катализа у наночастиц изменяются со временем, что было установлено учеными.

Проблемы катализа очень интересуют специалистов в области химии и энергетики. Именно нано-катализаторы сыграют большую роль в развитии топливных элементов, удалении вредных веществ и химическом производстве.

Оказалось, что вещества, не обладающие каталитической природой в «макроскопическом виде», приобретают ее, становясь наночастицами. Понимание механизмов возникновения катализа поможет исследователям создать новые виды химических реагентов.

Профессор химии из Корнелла Пен Чен (Peng Chen) поясняет, что катализ с помощью наночастиц протекает в динамике, и подробности этого процесса как раз удалось установить. Чену и его коллегам удалось даже снять видеозапись с дискретностью 30 миллисекунд/кадр, что до сих пор было трудно достижимо.

Рис. 1. Золотая наночастица и молекула краски на ее поверхности (модель)

Эксперимент базировался на сферических золотых наночастицах диаметром 6 нм, закрепленных на стеклянной подложке. Их омывал раствор с красителями, которые, при воздействии с наночастицами, переходили во флуоресцентную форму. Эти превращения исследователи смогли наблюдать и записывать с помощью микроскопа, фокусирующегося на плоскости, в которой протекала реакция.

Молекула краски прикреплялась к наночастице, с высвобождением атома кислорода, вызывая новую флуоресцентную форму молекулы. Благодаря высокому разрешению микроскопа и флуоресцентным вспышкам, ученые смогли детектировать отдельные каталитические события, происходящие с единичными наночастицами!

Как оказалось, не все наночастицы имеют идеальную сферическую форму, поэтому нанокатализ протекает по разным схемам. На наночастицах молекулы краски освобождаются, не меняя свое пространственное расположение, на других – перемещаются перед тем, как «отцепиться» от поверхности.

Рис. 2. Профессор Чен с коллегой

Места реакции на поверхности наночастиц также изменяются со временем. Это вызвано реструктуризацией золотой поверхности катализатора после нескольких реакций. Поэтому последующие превращения протекают на «старых местах» на поверхности наночастицы медленнее, а на новых – быстрее.

Время реструктуризации золотой поверхности, определенное учеными, довольно велико – от десяти до сотни секунд.

В будущем, Чен и его коллеги планируют «записать» другие каталитические реакции, но уже с использованием не иммобилизованных наночастиц в растворе.

Свидиненко Юрий