Imagistica fluorescentă dezvăluie cum activitatea catalizatorilor depinde de condițiile de operare
Cercetătorii au dezvoltat o metodă de imagistică numită DELINE, care face vizibile diferențele locale de activitate pe suprafața catalizatorilor, urmărind evenimente de reacție individuale. Abordarea a fost demonstrată pe catalizatori de aur și cupru în reacții declanșate electric și ar putea ajuta la identificarea caracteristicilor utile de suprafață și la adaptarea materialelor la condițiile lor de operare.
Catalizatorii accelerează reacții chimice folosite în industrie, de la producția de combustibili și medicamente până la fabricarea de substanțe chimice și tratarea poluanților. Îmbunătățirea performanței lor cere însă înțelegerea locului și modului în care reacțiile se produc pe suprafața lor. Măsurătorile convenționale mediază activitatea multor particule de catalizator, ascunzând diferențele locale care ar putea oferi indicii pentru proiectarea unor materiale mai eficiente.
Studiind disocierea apei, un pas cheie în producerea hidrogenului din apă, echipa a descoperit un compromis: regiunile de suprafață în care reacția se accelerează mai puternic odată cu tensiunea aplicată tind să aibă o rată de bază mai lentă. Această relație, cunoscută drept compensare cinetică, arată că regiunile cele mai utile pentru un catalizator pot depinde de condițiile electrice în care acesta funcționează. Pentru producția de hidrogen, un catalizator cu sensibilitate mai mare la tensiune ar putea necesita o creștere mai mică a tensiunii pentru a accelera reacția, ceea ce face ca această proprietate să fie importantă alături de activitatea de bază.
Multe reacții catalitice nu emit lumină, ceea ce face dificilă observarea evenimentelor individuale la microscop. DELINE leagă reacția studiată de o reacție secundară mult mai rapidă care produce un semnal fluorescent. Înregistrarea locurilor în care apar aceste semnale relevă activitatea de pe suprafața catalizatorului în timpul funcționării. Echipa a demonstrat abordarea folosind plăci subțiri de aur catalitic pentru a studia disocierea apei, în care apa se desparte la suprafața metalului, lăsând hidrogen atașat care poate forma ulterior gaz hidrogen. Experimentele de control au confirmat că molecula sondă nu a modificat activitatea catalitică a aurului.
Analizând 39 de plăci de aur și comparând 195 de regiuni de suprafață, cercetătorii au constatat că marginile și suprafețele laterale erau în general mai active decât fețele late și plate, deși activitatea varia și în interiorul acestor fețe. Simulările pe calculator și imagistica suplimentară au explicat compromisul: ionii de sodiu din lichidul înconjurător se acumulau neuniform lângă aur, modificând moleculele de apă din apropiere și făcând reacția mai sensibilă la tensiune, dar aceeași acumulare putea încetini mișcarea și rearanjarea apei, reducând rata de bază.
Echipa a testat DELINE și pe plăci de cupru în timpul disocierii apei și al reducerii nitraților. Pe cupru, fețele late și plate s-au dovedit mai active decât marginile, inversând tiparul general observat pe aur. Rezultatul demonstrează încă o dată de ce caracteristicile utile de suprafață trebuie identificate separat pentru fiecare material și reacție. Metoda poate analiza aproximativ 100 de particule în același câmp vizual al microscopului, într-o înregistrare de circa trei minute, permițând compararea multor particule în aceleași condiții.
Cercetătorii folosesc acum hărțile de reacție pentru a calcula modul în care plăcile de aur gol cu diferite lățimi ale marginii ar putea performa. Lărgirea marginii ar putea îmbunătăți sau reduce activitatea în funcție de tensiunea de operare și de modelul local de reacție, ceea ce ilustrează felul în care DELINE poate ajuta la alegerea formelor de catalizator potrivite pentru condițiile unui dispozitiv. Echipa explorează noi modele de sonde pentru a extinde aplicațiile metodei, cu obiectivul de a studia alte reacții declanșate electric, precum fixarea azotului, și de a vizualiza procesele catalitice din baterii în timpul funcționării.
