Лучший нанокатализатор для топливного элемента — катализатор с дефектами

Лучший нанокатализатор для топливного элемента — катализатор с дефектами

Трудно не заметить растущего с каждым днём интереса к различным наноматериалам и возможным областям их применения. В частности, принимая во внимание тот факт, что наночастицы обеспечивают очень развитую площадь поверхности для ускорения химических реакций, именно этот тип материалов чрезвычайно экстенсивно изучается на предмет использования в качестве катализаторов в топливных элементах, где топливо конвертируется в электричество.

Наночастицы, обычно имеющие линейные размеры порядка десятков нанометров, не являются аккуратными сферами, а скорее напоминают неправильной формы остроугольные кусочки, подобные микроскопическому гравию. Учёные давно заметили, что они могут связать каталитическую активность наночастиц с информацией о числе и типе их граней (именно так! Сначала измеряют каталитическую активность, а затем под известный «ответ» подгоняют «решение».

Грош, понятно, цена таким корреляциям, ведь предсказать каталитическую активность, зная число граней, всё равно не удаётся). Это выглядит как интересное, полезное и очень нетривиальное наблюдение. Но, может быть, как тот волк, что не способен выйти за флажки, учёные, слишком долго опиравшиеся в своей работе на эту корреляцию, уже не могут увидеть за деревьями лес?

tomakebetter-2_600.jpg Рис. 1. Сверху: слева — схема каталитического процесса, протекающего на наностержнях золота; справа — наностержень. Снизу: слева — график регистрируемой флюоресценции; справа — микрофотография флюоресцентной вспышки. (Иллюстрация Peng Chen / Cornell).

Как показало исследование, проведённое в Корнеллском университете (США) под руководством Пэн Чэня, нет никакого смысла подгонять корреляцию между измеренной каталитической активностью и числом граней (тем более что это лишено практического смысла для будущей работы), потому что в определении каталитических свойств наночастиц доминируют поверхностные дефекты (на гранях).

Вместо наночастиц группа г-на Чэня использовала золотые наностержни длиной до 700 нм, что позволило наблюдать за тем, насколько меняется каталитическая активность на одной грани. Золото выступало в качестве катализатора превращения химиката Ampex Red во флюоресцирующий резоруфин.

Всякий раз, когда происходила каталитическая конверсия, вновь образовавшаяся молекула резоруфина испускала короткую вспышку света, которая детектировалась цифровой камерой через микроскоп. Так исследователи обнаружили, что

гораздо большее число каталитических конверсий происходило где-то около середины стержня, уменьшаясь в направлении оконечностей и затем вновь скачкообразно увеличиваясь на концах стержней. Кроме того, выявились значительные расхождения в каталитической активности между отдельными наностержнями, даже несмотря на то что все они имели одинаковые типы граней.

Для объяснения наблюдаемых эффектов исследователи выдвинули предположение, что каталитическая активность выше в тех областях, где больше поверхностных дефектов. (А что же тут странного? Дефект означает ещё более развитую поверхность, с ещё более высокой поверхностной энергией, с ещё большим числом граней, имеющих меньшие линейные размеры.) Так, например, золотые наностержни получают из маленького кристалла-зародыша, выращивая из центра к концам, и больше всего дефектов образуется в самом начале процесса, то есть в центре стержня.

Таким образом, когда дефекты играют определяющую роль в каталитической активности наноматериала, знание числа граней поверхности совершенно недостаточно для предсказания каталитической активности наночастиц.

  • Дата публикации: 23.02.2012
  • 161

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться