Наночастицы: сложный химический ритм

До сих пор эти различия часто не учитывались в исследованиях катализа, потому что очень трудно одновременно получить информацию о самой химической реакции и о структуре поверхности катализатора. В TU Wien (Вена) этого теперь достигли путем комбинирования различных микроскопических методов: с помощью полевой электронной микроскопии и полевой ионной микроскопии стало возможным визуализировать окисление водорода на одной наночастице родия в реальном времени с нанометровым разрешением.

Это выявило удивительные эффекты, которые необходимо будет учитывать при поиске лучших катализаторов в будущем. Результаты представлены в научном журнале Science.
Ритм химических реакций
«В некоторых химических реакциях катализатор может периодически переключаться между активным и неактивным состоянием», – говорит проф.

Гюнтер Руппрехтер из Института химии материалов Венского технического университета. «Между двумя состояниями могут возникать самоподдерживающиеся химические колебания – химик Герхард Эртль получил Нобелевскую премию по химии за это открытие в 2007 году."
То же самое и с наночастицами родия, которые используются в качестве катализатора окисления водорода – основы каждого топливного элемента.

При определенных условиях наночастицы могут колебаться между состоянием, в котором молекулы кислорода диссоциируют на поверхности частицы, и состоянием, в котором водород связан.
Включенный кислород изменяет поведение поверхности
«Когда частица родия подвергается воздействию атмосферы кислорода и водорода, молекулы кислорода разделяются на отдельные атомы на поверхности родия. Эти атомы кислорода могут затем мигрировать под самый верхний слой родия и накапливаться там в виде подповерхностного кислорода », – объясняет проф.

Юрий Сучорский, первый автор исследования.

Благодаря взаимодействию с водородом эти накопленные атомы кислорода могут затем снова выводиться и вступать в реакцию с атомами водорода.

Затем внутри частицы родия снова появляется место для большего количества атомов кислорода, и цикл начинается снова. «Этот механизм обратной связи контролирует частоту колебаний», – говорит Юрий Сучорский.
До сих пор считалось, что эти химические колебания всегда происходят синхронно в одном и том же ритме по всей наночастице. В конце концов, химические процессы на разных гранях поверхности наночастиц пространственно связаны, так как атомы водорода могут легко мигрировать с одной грани на соседние грани.
Однако результаты исследовательской группы проф.

Гюнтер Руппрехтер и проф. Юрий Сучорский показывает, что на самом деле все гораздо сложнее: при определенных условиях пространственная связь снимается, и соседние грани внезапно колеблются с существенно разными частотами, а в некоторых областях наночастицы эти колеблющиеся «химические волны» вообще не распространяются.
«Это можно объяснить в атомном масштабе», – говорит Юрий Сучорский. «Под действием кислорода из гладкой поверхности могут выступать ряды атомов родия.«Эти ряды атомов могут затем действовать как своего рода« прерыватель волн »и препятствовать миграции атомов водорода от одной грани к другой – грани становятся разъединенными.
В этом случае отдельные грани могут образовывать колебания разной частоты. «На разных гранях атомы родия по-разному расположены на поверхности», – говорит Гюнтер Руппрехтер. "Вот почему включение кислорода под разными гранями частицы родия также происходит с разной скоростью, и поэтому колебания с разными частотами приводят к кристаллографически различным граням."

Острие полусферы как модель наночастиц

Ключ к разгадке этого сложного химического поведения заключается в использовании тонкого родиевого наконечника в качестве модели каталитической наночастицы.

Приложено электрическое поле, и из-за квантово-механического туннельного эффекта электроны могут покинуть наконечник. Эти электроны ускоряются в электрическом поле и попадают на экран, где создается проекционное изображение наконечника с разрешением около 2 нанометров.

В отличие от сканирующих микроскопов, где участки поверхности сканируются один за другим, такое параллельное отображение визуализирует все поверхностные атомы одновременно – в противном случае было бы невозможно отслеживать синхронизацию и десинхронизацию колебаний.
Новое понимание взаимодействия отдельных граней наночастиц теперь может привести к более эффективным катализаторам и обеспечить глубокое понимание атома механизмов нелинейной кинетики реакции, формирования структуры и пространственного взаимодействия.

Исследование финансируется Австрийским научным фондом (FWF) в рамках проекта «Пространственно-временные явления в библиотеках поверхностных структур»."
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = 9g7Q4dh_baA

4 комментария к “Наночастицы: сложный химический ритм”

Оставьте комментарий Отменить ответ

Exit mobile version