Новости химической науки > Новый метод следит за катализом в реальном времени

Исследователи из Корнелла разработали новый метод микроскопии, позволяющий наблюдать за поведением единичных наночастиц катализатора, позволяя отслеживать процессы, протекающие на их поверхности в режиме реального времени.

При связывании молекулы резазурина с наночастицами золота она выбрасывает кислород, превращаясь в резофурин, отличающийся высокой флуоресценцией, проявляющейся при облучении ультрафиолетом. График, демонстрирующий зависимость интенсивности флуоресценции от времени отрыва частицы с золотой поверхности позволяет следить за протеканием реакции. (Рисунок: © Aleksandr Kalininskiy)

Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что не все наночастицы одинаковы: реакции на поверхности некоторых из них протекают по-разному. Также исследователи получили прямое свидетельство тому, что со временем каталитическая активность наночастиц меняется.

Повышенный интерес к нанокатализаторам связан с необходимостью разработки топливных ячеек и методов для удаления загрязнений из окружающей среды. Наночастицы обладают большой площадью поверхности, что позволяет им эффективно ускорять реакции, в ряде случаев вещество может проявлять каталитические свойства на наноуровне, но не проявлять ее в компактной форме.

Исследовали иммобилизовали сферические наночастицы золота диаметром 6 нанометров на поверхности стекла и пропускали над ними раствор, содержащий краситель. Катализатор из золота способствовал превращению молекул красителя во флуоресцирующую форму. Использование микроскопа, способного к фокусировке с очень небольшой глубиной объектива, позволило получить «видео из частной жизни наночастиц», каждый кадр которого освещает события протяженностью не более 30 мкс.

Молекула красителя на непродолжительное время связывается с поверхностью золота, на поверхности происходит ее восстановление. Продукт восстановления красителя флуоресцирует, свет можно детектировать с помощью микроскопа до тех пор, пока молекула связана с поверхностью катализатора. Исследователям удалось различить флуоресценцию индивидуальных наночастиц и идентифицировать процессы, протекающие на поверхности одной наночастицы.

Было обнаружено, что реализуется два различных каталитических процесса. В ходе одного из них молекула связывалась с поверхностью катализатора, восстанавливалась и сразу же десорбировалась от поверхности. В ходе другого – после восстановления молекула меняла свое положение на наночастице и десорбировалась лишь после этого. Для некоторых наночастиц характерен лишь процесс первого типа, для некоторых – лишь второго, для ряда наночастиц могут реализоваться оба процесса. По словам исследователей наблюдаемые результаты объясняются тем, что наночастицы золота не обладают идеальной сферической формой, и разные типы поверхности, на которых идет сорбция молекул, приводят к различным типам процессов.

Тем не менее, реакции на одном и том же сайте наночастицы могут протекать в течение различного времени – исследователи фиксировали то короткое, то долгое, то снова короткое пребывание флуоресцирующей молекулы на катализаторе. Разгадка этого, возможно, кроется в том, что каталитическая реакция приводит к реструктурированию поверхности золота, что может приводить к некоторому замедлению каталитических процессов. Позднее наночастица возвращается к своей исходной форме, и каталитическая реакция снова протекает быстро.

Источник: Nature Materials, 2008, doi: 10.1038/nmat2319

метки статьи: #аналитическая химия, #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #физическая химия, #химия поверхности