Структурно-направленный синтез увеличивает фракцию химически активных граней кристалла.
 кристаллы. Использовано изображение http://pubs.acs.org/cen/news. |
|
||||||||
Кристаллы, со структурой и другими свойствами, традиционно могут служить как модельные системы для исследования поверхностных явлений, включая механизмы реакций. Исследование этих твердых тел с заданными свойствами и методы их получения могут также привести к определенным успехам в таких направлениях их применения, как катализ и фотоэлектроника.
Различные грани кристалла выглядят совершенно одинаково не только для невооруженного взгляда, они напоминают друг друга и на микроскопическом уровне. В плане структуры, к примеру, не важно как бриллиант или другой кристалл огранен, все его грани состоят из одинаковых элементов. Несмотря на эти сходства, тонкие различия в геометрическом расположении атомов в одной грани кристалла относительно другой, могут привести к большим различиям в химических, электронных и других свойствах этих двух граней.
Ученые, занимающиеся химией поверхности, обнаружили, что эти различия компенсируются определенными гранями данного каталитически активного кристалла, в то время как другие грани этого же кристалла в значительной степени неактивны. Так называемые (101) кристаллические грани минерала анатаза TiO2, к примеру, являются термодинамически устойчивыми, высоко обогащенными (обычно около 95% кристаллической поверхности) и в значительной степени инертны. С другой стороны, менее стабильное меньшинство (001) граней охотно катализирует реакцию разложения воды.
В прошлом, исследователи испытывали различные пути прямого выращивания кристаллов для создания специфичных граней. Эти попытки были лишь частично успешными. Сейчас, Huagui Yang, Chenghua Sun, и Gaoqing (Max) Lu из Австралийского института Биоинженерии и нанотехнологий в университете Квинсленда с сотрудниками синтезировали кристаллы особо чистого анатаза TiO2 примерно с 50% (001) гранями.
 |
| Оборотные (001) грани TiO2 являются реактивными, т.к. многие атомы Ti (серые на рисунке) на их поверхности являются ненасыщенными и имеют пентакоординированную (атомы кислорода - красные) конфигурацию (использовано изображение http://pubs.acs.org/cen/news). |
На основе теоретических расчетов, которые определяют эффекты 12 типов адсорбатов на энергетической поверхности и роста кристалла, группа определила, что присутствие фтора на гранях кристалла увеличивает фракцию (001) граней. Соответственно, группа разработала синтез, основанный на TiF4 и плавиковой кислоте, который дает на выходе (001)-гране-обогащенные кристаллы. Они также изобрели горячее взаимодействие, которое впоследствии сдерживает фтор и оставляет первоначальные кристаллы TiO2.
Скотт А. Чемберс из Тихоокеанской северо-западной лаборатории утверждает, что если новый синтез можно будет широко применить, то это открытие можно будет применить в катализе и других отраслях.
Источники:
- Nature, 2008, 453, 638
- ACS Chemical & Engineering News, 2008, 86(22), 12.