Licht am Ende des Nanotunnels für zukünftige Katalysatoren
Mit einem neuartigen Nanoreaktor ist es Forschern der Chalmers University of Technology, Schweden, gelungen, katalytische Reaktionen auf einzelnen metallischen Nanopartikeln abzubilden. Ihre Arbeit könnte dazu beitragen, chemische Prozesse zu verbessern und zu besseren Katalysatoren und umweltfreundlicheren chemischen Technologien führen.
Ein an der Chalmers University of Technology entwickelter Nanoreaktor visualisiert die Aktivität einzelner katalytischer Nanopartikel. Um die Effizienz der einzelnen Partikel im katalytischen Prozess zu identifizieren, isolierten die Forscher einzelne Goldnanopartikel in separaten Nanotunneln. Sie schickten dann zwei Arten von Molekülen, die miteinander reagieren, auf die Oberflächen der Partikel. Ein Molekül (Fluoreszein) ist fluoreszierend und wenn es auf sein Partnermolekül (Borhydrid) trifft, stoppt die Lichtemission bei einer Reaktion zwischen beiden. Dadurch ist es möglich, den katalytischen Prozess zu verfolgen.
Sune Levin and Nature Communications
Katalysatoren erhöhen die Rate der chemischen Reaktionen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei vielen wichtigen industriellen Prozessen, von der Herstellung von Kraftstoffen über Medikamente bis hin zur Begrenzung schädlicher Fahrzeugemissionen. Sie sind auch wesentliche Bausteine für neue, nachhaltige Technologien wie die Brennstoffzelle, bei der Strom durch eine Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt wird. Katalysatoren können auch dazu beitragen, Umweltgifte abzubauen, indem sie beispielsweise Wasser von giftigen Chemikalien reinigen.
Um effektivere Katalysatoren für die Zukunft zu entwickeln, bedarf es grundlegender Kenntnisse, wie beispielsweise des Verständnisses der Katalyse auf der Ebene einzelner aktiver katalytischer Partikel.
Um das Problem des Verständnisses katalytischer Reaktionen heute zu visualisieren, stellen Sie sich eine Menschenmenge bei einem Fußballspiel vor, bei dem eine Reihe von Zuschauern Leuchtkugeln anzünden. Der Rauch breitet sich schnell in der Menge aus, und sobald sich eine Rauchwolke gebildet hat, ist es fast unmöglich zu sagen, wer die Fackeln tatsächlich angezündet hat oder wie stark jeder einzelne brennt. Die chemischen Reaktionen in der Katalyse laufen auf vergleichbare Weise ab. Millionen von Einzelpartikeln sind beteiligt, und es ist derzeit sehr schwierig, die Rollen der einzelnen Partikel zu verfolgen und zu bestimmen - wie effektiv sie sind, wie viel jedes einzelne zur Reaktion beigetragen hat.
Um den katalytischen Prozess besser zu verstehen, ist es notwendig, ihn auf der Ebene einzelner Nanopartikel zu untersuchen. Der neue Nanoreaktor hat es den Forschern von Chalmers ermöglicht, genau dies zu tun. Der Reaktor besteht aus rund 50 parallel angeordneten, mit Flüssigkeit gefüllten Glas-Nanotunneln. In jedem Tunnel platzierten die Forscher ein einziges Goldnanopartikel. Obwohl sie von ähnlicher Größe sind, hat jedes Nanopartikel unterschiedliche katalytische Eigenschaften - einige sind hochwirksam, andere entschieden weniger optimal. Um erkennen zu können, wie Größe und Nanostruktur die Katalyse beeinflussen, haben die Forscher die Katalyse an den Partikeln einzeln gemessen.
"Wir haben in die Nanotunnel zwei Arten von Molekülen geschickt, die miteinander reagieren. Ein Molekültyp ist fluoreszierend und emittiert Licht. Das Licht wird erst dann gelöscht, wenn es auf der Oberfläche der Nanopartikel auf einen Partner des zweiten Typs trifft und eine chemische Reaktion zwischen den Molekülen stattfindet. Die Beobachtung dieses Aussterbens des Lichts am Ende des Nanotunnels", stromabwärts der Nanopartikel, ermöglichte es uns, die Effizienz jedes Nanopartikels bei der Katalyse der chemischen Reaktion zu verfolgen und zu messen", sagt Sune Levin, Doktorandin am Department of Biology and Biotechnology der Chalmers University of Technology und Hauptautorin des wissenschaftlichen Artikels.
Er führte die Experimente unter der Leitung der Professoren Fredrik Westerlund und Christoph Langhammer durch. Der neue Nanoreaktor ist das Ergebnis einer breiten Zusammenarbeit zwischen Forschern verschiedener Abteilungen in Chalmers.
"Eine effektive Katalyse ist sowohl für die Synthese als auch für den Abbau von Chemikalien unerlässlich. Katalysatoren sind zum Beispiel notwendig, um Kunststoffe, Medikamente und Kraftstoffe optimal herzustellen und Umweltgifte effektiv abzubauen", sagt Fredrik Westerlund, Professor am Department of Biology and Biotechnology in Chalmers.
Die Entwicklung besserer Katalysatormaterialien ist für eine nachhaltige Zukunft notwendig, und es sind große soziale und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.
"Wenn katalytische Nanopartikel optimal veredelt werden könnten, könnte die Gesellschaft einen enormen Nutzen daraus ziehen. In der chemischen Industrie zum Beispiel könnte die Effektivitätssteigerung bestimmter Prozesse um nur wenige Prozent zu einem deutlich höheren Umsatz und drastisch reduzierten Umweltbelastungen führen", sagt Forschungsprojektleiter Christoph Langhammer, Professor am Physikalischen Institut in Chalmers.
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