Korzystając z rezonansu magnetycznego jądrowego, naukowcy z Eth Zurych badali środowiska atomowe pojedynczych platynowych atomów w stałym wspornikach, a także ich orientacji przestrzennej. W przyszłości metodę tę można zastosować do optymalizacji produkcji katalizatorów pojedynczych atomów.
Kataliza – przyspieszenie reakcji chemicznej poprzez dodanie określonej substancji – jest niezwykle ważne zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym. Około 80 % wszystkich produktów chemicznych jest wytwarzanych przy pomocy katalizy, a technologie takie jak katalizatory spalin lub ogniwa paliwowe opierają się również na tej zasadzie. Jednym szczególnie skutecznym i wszechstronnym katalizatorem jest platyna. Ponieważ jednak platyna jest bardzo rzadkim i drogim metalem szlachetnym, którego produkcja powoduje wiele emisji CO2, ważne jest, aby użyć tak niewiele, jak to możliwe przy maksymalizowaniu jego wydajności.
Katalizatory z pojedynczymi atomami
W ostatnich latach naukowcy próbowali opracować tak zwane katalizatory pojedynczego atomu, w których każdy atom przyczynia się do reakcji chemicznej. Katalizatory te są wytwarzane przez osadzanie pojedynczych atomów platyny na powierzchni porowatego materiału gospodarza, na przykład węgla domieszkowanego atomami azotu. Atomy azotu działają jako punkty zakotwiczenia, na które atomy platyny mogą się przyczepić.
Zespół naukowców prowadzony przez Javiera Péreza-Ramíreza i Christophe Copéret z Departamentu Chemii i Applied Life Sciences of Eth Zurych, wraz z kolegami na uniwersytetach Lyon i Aarhusa, wykazali teraz, że takie katalizacje pojedynczego atomu są bardziej złożone niż wcześniej. Korzystając z jądrowego rezonansu magnetycznego, byli w stanie wykazać, że poszczególne atomy platyny w takim katalizatorze mogą mieć bardzo różne środowiska atomowe, które wpływają na ich działanie katalityczne. W przyszłości to odkrycie umożliwi opracowanie bardziej wydajnych materiałów katalitycznych. Naukowcy niedawno opublikowali swoje ustalenia w czasopiśmie naukowym Nature.
Chance Spotkania prowadzą do przełomu
„Do tej pory poszczególne atomy platyny można było zaobserwować tylko za pomocą„ soczewki ”mikroskopu elektronowego-który wygląda imponująco, ale nie mówi nam wiele o ich właściwościach katalitycznych”, mówi Pérez-Ramírez. Razem z Copéret pomyślał o tym, jak dokładnie można scharakteryzować poszczególne atomy platyny. Współpraca rozpoczęła się od przypadkowego spotkania podczas spotkania w ramach programu katalizy NCCR.
Po spotkaniu dwaj badacze opracowali pomysł wypróbowania jądrowego rezonansu magnetycznego. Ta metoda, na której opiera się MRI w szpitalu i która jest zwykle stosowana do badania cząsteczek w laboratoriach, obroty jąder atomowych w silnym statycznym polu magnetycznym reaguje na oscylacyjne pola magnetyczne o pewnej częstotliwości rezonansowej. W cząsteczkach częstotliwość rezonansowa zależy od sposobu rozmieszczenia różnych atomów w cząsteczce. „Podobnie, na częstotliwości rezonansowe pojedynczych atomów platyny mają wpływ ich atomowe sąsiedzi – na przykład węgiel, azot lub tlen – i ich orientacja w stosunku do statycznego pola magnetycznego” – wyjaśnia Copéret.
Prowadzi to do wielu różnych częstotliwości rezonansowych, podobnie jak różne tony w orkiestrze. Dowiedzenie się, który instrument wytwarza określony ton, nie jest łatwe. „Na szczęście podczas wizyty w Lyonie jeden z nas spotkał eksperta symulacyjnego Aarhusa, który odwiedzał tam jednocześnie” – mówi Copéret. Dodaje, że takie spotkania i współpraca są niezbędne do postępu naukowego. Wraz z kolaboratorem ETH ekspert symulacyjny opracował kod komputerowy, który umożliwił odfiltrowanie wielu różnych „tonów” poszczególnych atomów platynowych od błota.
Mapowanie środowiska atomowego
Ostatecznie doprowadziło to do przełomu w opisie katalizatorów pojedynczych atomów: zespół badawczy był w stanie skompilować rodzaj mapy pokazującej rodzaj i pozycję atomów otaczających atomy platyny. „Ta metoda analityczna ustawia nowy punkt odniesienia w terenie”-mówi Pérez-Ramírez.
Dzięki tej metodzie, która jest zasadniczo dostępna, protokoły produkcyjne dla katalizatorów pojedynczych atomów można zoptymalizować w taki sposób, że wszystkie atomy platyny mają dopasowane środowiska. To kolejne wyzwanie dla zespołu. „Nasza metoda jest również ważna z punktu widzenia własności intelektualnej”, mówi Copéret: „Możliwość precyzyjnego opisania katalizatorów na poziomie atomowym pozwala nam chronić je za pomocą patentów”.