Мониторинг жизненного цикла крошечных наночастиц

Мониторинг жизненного цикла наночастиц

Наночастицы могут быть использованы во многих вещах в качестве катализаторов. Чтобы иметь возможность адаптировать их таким образом, чтобы они могли селективно и эффективно катализировать определенные реакции, исследователям необходимо как можно точнее определить свойства отдельных частиц.

Пока что ансамбль из многих наночастиц анализируется. Однако проблема этих исследований заключается в том, что вклады различных частиц мешают, так что свойства отдельных частиц остаются скрытыми.

Исследователи в Ruhr-Universiät Bochum в сотрудничестве с коллегами из Университета Дуйсбург-Эссен и Технического университета Мюнхена разработали новый метод для наблюдения отдельных наночастиц до, вовремя и после электрохимической реакции. Они изображают этот процесс в журнале Angewandte Chemie, опубликованном 16 апреля 2019 года.

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», - объясняет профессор Вольфганг Шуман, руководитель Центра электрохимических наук.

«Вот почему мы разработали частицу на электроде». Исследователи вырастили наночастицу катализатора на кончике углеродного наноэлектрода, затем активировали ее и использовали для катализа электрохимической реакции. В отличие от предыдущих подходов, новый метод позволил команде наблюдать полный жизненный цикл частицы.

Изготовление частицы

На первом этапе химики модифицировали углеродный наноэлектрод так, что частица предпочтительно прикрепляется к кончику электрода. Впоследствии они окунули наконечник электрода в раствор, который содержал материалы-предшественники для катализатора. После этого эти компоненты собирались автоматически, в конечном итоге создавая симметричную частицу, в которой составляющие элементы - металлический кобальт, а также органические углеродистые компоненты - были равномерно распределены.

Группа проанализировала форму частиц с помощью специальной электроники . С помощью специальной формы рентгеновской спектроскопии исследователи определили распределение элементов внутри частицы. Они повторяли эти анализы после каждого шага, чтобы отслеживать, как изменилась частица.

Стабильная наносборка электрода и частицы

На следующем этапе исследователи использовали нагревание, чтобы инициировать разложение органических соединений и образование углеродной матрицы с очень маленькими внедренными наночастицами кобальта. Вот как фактический каталитически активный материал был сформирован на конце наноэлектрода. Впоследствии химики использовали частицы в качестве катализатора для производства кислорода из воды путем электролиза.

Наночастицы показали превосходные результаты и достигли скоростей оборота, которые сопоставимы с промышленными устройствами электролиза. «Для нас было еще важнее увидеть, что наносборка электрода и частицы была достаточно стабильной для последующего исследования после катализа», - говорит Вольфганг Шуман. Анализ показал, что частицы претерпели значительную перестройку во время реакции.

Таким образом, способ позволяет отслеживать изменения катализатора при очень высоких скоростях оборота. Исследователи могли не только определять каталитическую активность отдельной наночастицы с помощью своей методологии, но они также могли контролировать ее форму и химический состав в течение всего жизненного цикла - полностью без вмешательства каких-либо других частиц.

Автор статьи: Виктор Булавин