Ученые нашли «универсальные» наночастицы, которые пригодны и в качестве катализатора, и для треккинга реакции
 Схематическое изображение процесса преобразования наночастиц из наностержня с квадратным сечением в структуры "рисоподобной" и "гантелеобразной" формы. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Гигантское поверхностное комбинационное рассеяние, использующее локальные особенности электромагнитного поля для усиления сигналов, представляет собой мощный инструмент для идентификаций промежуточных стадий и отслеживания динамики химических реакций. Для использования этой методики необходимы наночастицы размерами около 100 нм, поскольку только они имеют настраиваемые оптические резонансы, которые используются для усиления гигантского комбинационного рассеяния. В отличие от этих наночастиц, структуры, хорошо продемонстрировавшие себя в качестве катализаторов, имеют размеры не более 5 нм. Таким образом, использовать одни и те же частицы в качестве катализатора самой реакции и вспомогательного компонента методики наблюдения до сих пор было невозможно.
В рамках своей последней работы совместная группа ученых из Nantong University (Китай), а также Rice University и University of South Carolina (США) опровергла это утверждение, предложив наноструктуры «двойного действия». Секрет такой унификации – в травлении определенных областей наночастиц, имеющих достаточно большие размеры для участия в усилении комбинационного рассеяния. Созданные таким образом грани имеют высокую плотность перегибов, ступеней и выступов атомарного размера, которые выступают в роли активных центров для разрыва химических связей (т.е. данные наночастицы одновременно работают в качестве эффективного катализатора).
В своих экспериментах ученые работали с золотыми наностержнями, имеющими в сечении квадратную форму. Наностержни были покрыты серебром и в ходе эксперимента травились до «рисоподобной» и «гантелеобразной» форм. Стоит отметить, что основную функцию в конструкции выполняло серебро: оно имеет очень сильные и хорошо настраиваемые оптические резонансы. Однако оно химические нестабильно, поэтому команде пришлось добавить в наноструктуры золотое «ядро».
Проведенная «тестовая» реакция показала, что «гантелеобразные» наночастицы являются более совершенными катализаторами. Они увеличивали скорость проведенной тестовой реакции в 10 раз активнее, нежели наночастицы, имеющие «рисоподобную» форму, и примерно в 100 раз активнее, чем наночастицы в форме стержня с квадратным сечением.
Ключом к усилению сигналов гигантского комбинационного рассеяния стали плазмонные резонансы – коллективные колебания электронов в наночастицах в ответ на свет, которые усиливают локальное электромагнитное поле. Наночастицы благородных металлов, таких как серебро и золото, имеют сильные хорошо настраиваемые плазмонные резонансы, но их высокая поверхностная энергия усложняет процесс изготовления наночастиц с высокой степенью огранки. Чтобы преодолеть это препятствие, ученым пришлось искать правильный баланс химических реагентов для контроля процесса травления. Стоит отметить, что в процессе травления команда замеряла спектры и получала изображения наночастиц при помощи сканирующего электронного микроскопа, одновременно проверяя ожидаемые параметры наночастиц, рассчитанные при помощи численного алгоритма. Измерения показали хорошее количественное согласие численной модели и практики, что говорит о достаточно детальном описании (и понимании) процесса эволюции наночастиц в ходе травления.
В ближайшем будущем исследователи планируют рассмотреть другие каталитические материалы, которые могут использоваться для подобной работы с химическими реакциями.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.
Также по теме:
- Создание цеолитов с улучшенными каталитическими свойствами
- Медные наноструктуры повышают эффективность использования жидкого топлива
- Ученые предложили эффективный катализатор на основе наночастиц платины
- Ученые из США побили рекорд по эффективности восстановления кислорода
- Ученые нашли катализатор для эффективного производства водорода
Источники: