С помощью нового процесса швейцарские ученые упрощают для химической промышленности исследование и оптимизацию каталитических процессов: «Мы нашли способ конструировать каталитические модельные системы, то есть экспериментальные установки, с точностью до одного нанометра, а затем для отслеживания химических реакций отдельных наночастиц », — говорит Вайз Карим, который связан с Лабораторией микро- и нанотехнологий PSI и Институтом химии и биоинженерии ETH Zurich. «Это позволяет выборочно оптимизировать эффективность каталитических процессов».Катализ — это фундаментальный процесс в химии: реакции веществ запускаются или ускоряются из-за присутствия катализатора. Он играет важную роль в производстве синтетических материалов, кислот и других химических продуктов, в обработке выхлопных газов и хранении энергии (см.
Предпосылки). По этой причине промышленность проявляет большой интерес к оптимизации каталитических процессов. «Для этого вам необходимо более глубокое понимание того, что происходит на молекулярном уровне», — говорит Йерун ван Боховен, руководитель лаборатории катализа и устойчивой химии PSI и профессор гетерогенного катализа в ETH Zurich, который руководил учиться.
Модельный эксперимент с беспрецедентной точностьюЭто более глубокое понимание может быть достигнуто с помощью нового подхода: исследователи построили модельную систему, которая позволяет им изучать катализ в мельчайших деталях. Эксперименты проводились в основном в PSI, а теоретическая база разрабатывалась в ETH Zurich.
Для модельного эксперимента группа Карима и ван Боховена использовала оксид железа, который был преобразован в железо путем добавления водорода и с помощью платины-катализатора. Платина расщепляет молекулярный водород (H2) на элементарный водород (H), который легче реагирует с оксидом железа.Главная привлекательность их модели: с помощью современной электронно-лучевой литографии, которая обычно используется в основном в полупроводниковой технологии, исследователи смогли разместить на подставке крошечные частицы, состоящие всего из нескольких атомов каждая. Размер частиц оксида железа составлял всего 60 нанометров, а частицы платины были еще меньше — 30 нанометров — примерно две тысячных диаметра человеческого волоса.
Исследователи поместили эти частицы попарно на сетчатую модель на 15 различных расстояниях друг от друга — в первом сегменте сетки частица платины лежала точно поверх частицы оксида железа, а в 15-м сегменте частицы лежали на 45 нанометры друг от друга. В 16-м сегменте оксид железа был полностью один. «Таким образом, мы смогли одновременно протестировать 16 различных ситуаций и контролировать размер и расстояние между частицами с точностью до одного нанометра», — объясняет Карим. Затем они испарили модель водородом и наблюдали, что произошло.
Для этого наблюдения в молекулярной области в более раннем проекте команда использовала метод, называемый «одночастичная спектромикроскопия», для анализа крошечных частиц с помощью рентгеновских лучей. Инструменты, необходимые для этого, доступны в Швейцарском источнике света SLS PSI, крупномасштабном исследовательском центре, который генерирует высококачественный рентгеновский свет.
Новым является не только точность позиционирования частиц, но и соответствующее точное наблюдение химических реакций, включая одновременное наблюдение множества частиц в разных ситуациях, раньше было невозможным: «В предыдущих исследованиях размещение наночастиц двух разных материалы могут отличаться на 30 нанометров », — поясняет Карим.Зависимый от расстояния перетекание водородаОднако, как выяснилось, некоторые химические явления имеют место в еще меньшем масштабе. Одним из них является так называемый побочный эффект водорода, который исследователи PSI и ETH изучили с помощью своей новой модели.
Этот эффект вносит решающий вклад в эффективность катализа водородом. Он был открыт в 1964 году, но до сих пор не мог быть понят или визуализирован в деталях. В результате обстоятельства, при которых это произошло на самом деле, остались спорными.
Группе Карима и ван Боховена удалось впервые проанализировать его с необходимой точностью: молекулы водорода расщепляются, как только они сталкиваются с частицами платины, а затем элементарный водород стекает по сторонам на материал подложки. Затем они расходятся повсюду, как вода вытекает из источника. Атомы водорода встречаются с частицами оксида железа и, по словам исследователей, «восстанавливают» их до железа. «Нам удалось доказать, что степень протекания водорода зависит от материала носителя», — сообщает Карим. Чем дальше он течет, тем больше вторичный эффект может способствовать катализу.
Если носитель состоит, например, из оксида алюминия, который сам по себе не может быть восстановлен, водород течет не дальше 15 нанометров. В отличие от восстанавливаемого оксида титана, он течет по всей поверхности. «Очевидно, что для некоторых материалов-носителей важно, насколько плотно на них сидят частицы».
Развитие химической наукиТаким образом, с помощью своего нового нанотехнологического процесса исследователи PSI и ETH прояснили обстоятельства побочного эффекта водорода. «В основе нашего метода лежат три столпа, — говорит Йерун ван Боховен, — нанопроизводство модельной системы, точное измерение химических реакций и, наконец, что не менее важно, теоретическое моделирование: в соответствии с экспериментами мы смогли описать процесс до молекулярного уровня ". По его мнению, это могло бы способствовать огромному прогрессу в химической науке в целом: «Таким образом, мы открываем совершенно новое измерение для исследования и понимания каталитических процессов. способ."
