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工程师用光雕刻法控制催化剂

2021-1-21 08:54| 发布者: vantsing| 查看: 247| 评论: 0

摘要: 上图实验装置描述了把钯纳米棒放置于金纳米棒上 就像一个人在阻止两位女士吵架一样,催化剂在化学反应中扮演的角色就是加快反应的进程——然后在反应之后完好无损地出来。然而,正如社区里的每一个家庭一样,不是所 ...

上图实验装置描述了把钯纳米棒放置于金纳米棒上

  就像一个人在阻止两位女士吵架一样,催化剂在化学反应中扮演的角色就是加快反应的进程——然后在反应之后完好无损地出来。然而,正如社区里的每一个家庭一样,不是所有的家庭都愿意插手这样一场纷争,催化剂也一样,不是所有的部分都参与反应。但是如果有人可以说服催化剂中那些有闲置的部分参与进来呢?结果就是可以更快更有效地进行化学反应。

  Jennifer Dionne为首的斯坦福大学的化学家们使用了光学,先进制造和表征技术为催化剂赋予了新的能力。

  在一个概念验证实验当中,宽度大约只有人类头发丝1/200的条棒状的钯作为催化剂。研究人员把这些催化剂的纳米棒置于金纳米棒之上,并且使用光在催化剂上进行聚焦雕刻。经过光雕刻之后的纳米棒,其化学反应的区域被改变了——例如释放氢气反应的区域。这项研究工作在今年的114日发表在《Science》杂志上,这可能是朝着寻找更高效催化剂迈出的第一步,这是一种新形式的催化转化方法,而催化剂潜在的其他能力甚至可能同时催化多个化学反应。

  Dionne作为材料科学与工程的副教授,这篇论文的资深作者,他指出:这项研究有一个很重要的步骤就是人们意识到了催化剂的优化可以从原子尺寸到反应物尺寸。我们的目标是明白如何用合适的形状和组成成分去尽可能地增大反应面积和控制某一种反应的发生。

一个迷你的实验室

仅仅只是观察这个这个反应的过程就需要一台特殊的显微镜,他能够使一个很活泼的化学反应过程在很小的尺寸上也能成像。由于纳米的颗粒非常小,所以很难观察催化剂在化学反应过程中的变化。作为Dionne实验室的毕业研究生,论文的带头作者,Katherine Sytwu催化剂在原子尺寸的特性通常决定了催化转化发生的地点,因此分辨出在非常小的纳米颗粒中发生了生么是至关重要的

  对于这个特殊的反应——以及后期的催化剂控制实验——显微镜还必须兼容样品中所引用的气体和光的部分。为了完成这一切,研究人员在斯坦福大学的纳米共享设备中使用了环境透射电镜和一个特殊的附件,这套设备先前是由Dionne实验室开发的,目的是为了引入光。顾名思义,透射电镜就是使用电子对样品成像,这可以达到比传统光学显微镜更大的放大倍率,同时在这种环境特性下的显微镜意味着可以添加气体进去,否则的话,这本身是一个没有气体的环境。

  Sytwu说:你在这个迷你实验室的基础上进行实验,同时可以在接近原子的水平上将发生的反应可视化。

    在一定的温度和压力条件下,富含氢的钯会释放出氢原子。为了观察光是如何影响这种标准的催化剂的催化转化,研究人员定制了一种金纳米棒——它使用了斯坦福的纳米共享设备和斯坦福的纳米制造设备进行设计制造——它位于钯的下方,起着天线的作用,收集入射光线并将其汇聚到附近的催化剂上。

  “首先我们需要了解这些材料是如何自然转化的。其次,我们开始思考如何修饰和自然地控制这些纳米颗粒的变化Sytwu说。

   在没有光的情况下,脱氢反应最活泼的两个点是在纳米棒的两端。然后这个反应穿过纳米棒,沿途会产生氢气。研究人员则可以利用光来操纵这种反应,使其从中间向外移动或者从一个尖端到另一个尖端。基于金纳米棒摆放的位置和照明条件,研究人员设法制作了许多可替代的反应热点。

断键和铸剑

  这项工作一个罕见的实例,它表明即使是催化剂被制造出来,我们也可以通过一些方法改变它后天的行为。这项工作提高单一催化剂效率方面开辟了新天地。一个单一催化剂可以扮演着许多角色,使用光可以在其表面产生多个相同的化学反应,换句话说它潜在地增加了反应位点的数量。通过光的控制还可以帮助科学家避开那些不需要的反应,这些反应时常会和我们需要的反应同时发生。

  Dionne雄心勃勃地希望有朝一日能开发出在分子水平上分解塑料的高效催化剂,并将塑料转化成可回收利用的原材料。Dionne强调,如果没有斯坦福大学提供的共享设备和资源,这项工作以及接下来的任何工作都不可能实现。(这些研究人员还利用斯坦福研究计算中心进行数据分析)。大多数实验室自己负担不起这种先进的设备,所以共享设备可以提升机遇同时获得专家的支持。

  共享科研平台对我们了解世界以及如何实现下一个重大突破至关重要。兼任科研平台/共享设备中心的负责人,同时也是高级副教务长的Dionne说,这样的实验室不仅仅是提供关键工具的地方,更是一个令人惊喜的科研人员社区。



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