Автор: AZoNano 6 мая 2019

Трудно изучать отдельные наночастицы, так как они очень маленькие. Тем не менее, это именно то, что ученые ищут для настройки их свойств. И они придумали новую методологию – частица на палке.

Существует несколько способов использования наночастиц в качестве катализаторов. Чтобы настроить их так, чтобы они могли эффективно и избирательно стимулировать определенные реакции, ученые должны определить свойства отдельных частиц как можно точнее. На сегодняшний день изучена коллекция из нескольких наночастиц. Однако задача этих анализов состоит в том, что вклады различных частиц мешают так, что свойства отдельных частиц остаются скрытыми.

Ученые из Ruhr-Universiät Bochum вместе с коллегами из Университета Дуйсбург-Эссен и Технического университета Мюнхена создали новую методику исследования отдельных наночастиц до, во время и после электрохимической реакции. Они описывают процесс в журнале Angewandte Chemie о котором было сообщено 16 апреля ^th 2019.

Наблюдение за полным жизненным циклом

Чтобы всесторонне понять каталитическую активность наночастицы, мы должны наблюдать, как меняется ее структура и состав – от предварительного катализатора к активному катализатору и, в конечном итоге, вплоть до состояния после реакции. Вот почему мы разработали частицу на палочке .

Профессор Вольфганг Шуман, руководитель, Центр электрохимических наук, Рур-Университет Бохума

Ученые культивировали наночастицу катализатора на кончике углеродного наноэлектрода, а затем активировали ее и использовали для катализа электрохимической реакции. В отличие от более ранних методов, новая техника позволила команде взглянуть на весь жизненный цикл частицы.

Изготовление частиц на палочке

На первой стадии химики подбирали углеродный наноэлектрод так, чтобы частица предпочтительно прилипала к кончику электрода. Затем они погрузили наконечник электрода в раствор, который включал материалы-предшественники для катализатора. Позднее эти компоненты собирались автоматически, в конечном итоге образуя симметричную частицу, в которой составляющие компоненты – металлический кобальт, а также органические углеродистые элементы – были равномерно распределены.

Команда исследовала форму частиц с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Используя определенный тип рентгеновской спектроскопии, ученые определили распределение элементов внутри частицы. Они проводили эти анализы снова после каждого шага, чтобы исследовать, как модифицируется частица.

Стабильная наносборка электрода и частицы

На следующем этапе ученые использовали нагревание, чтобы активировать разложение органических соединений и развитие углеродной матрицы с чрезвычайно маленькими внедренными наночастицами кобальта. Таким образом, фактический каталитически активный материал был разработан на конце наноэлектрода.

Позже, химики использовали частицы в качестве катализатора для производства кислорода из воды путем электролиза. Наночастица работала великолепно и достигла скорости оборота, аналогичной промышленным электролизным устройствам.

« Для нас было еще важнее увидеть, что наносборка электрода и частицы была достаточно стабильной для последующего исследования после катализа », – утверждает Вольфганг Шуман. Анализ показал, что частицы подвергались значительной перестройке во время реакции. Таким образом, технология позволяет наблюдать за изменениями катализатора при чрезвычайно высоких скоростях оборота.

В дополнение к определению каталитической активности отдельной наночастицы, ученые использовали свой подход, чтобы также контролировать ее форму и химический состав в течение всего жизненного цикла – полностью без вмешательства каких-либо других частиц.

финансирование

Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом в рамках Центра совместных исследований 247, а также Кластером передового опыта RESOLV (EXC 2033).