I fotocatalizzatori su nanoscala sono piccoli, particelle artificiali che raccolgono energia dalla luce solare per produrre combustibili liquidi e altre sostanze chimiche utili. Ma anche all'interno dello stesso lotto, le particelle tendono a variare ampiamente di dimensioni, forma e composizione della superficie. Ciò rende difficile per i ricercatori dire cosa sta realmente facendo il lavoro.

Una soluzione di imaging in tempo reale sviluppata presso la Washington University di St. Louis potrebbe aiutare, come riportato in un nuovo studio sulla rivista Catalisi ACS .

"La sfida nel correlare le immagini ottiche a singola molecola con specifici siti attivi nei catalizzatori su scala nanometrica è che la risoluzione spaziale da 10 a 25 nanometri fornita da questa tecnica è ancora in media su molti atomi sulla superficie del catalizzatore, rendendo così difficile la correlazione degli eventi di reazione con la struttura del catalizzatore, " disse Bryce Sadtler, assistente professore di chimica in Arts &Sciences e co-autore principale del nuovo studio.

Da quando è arrivato alla Washington University nel 2014, Sadtler ha voluto provare l'imaging delle reazioni catalitiche utilizzando la fluorescenza a singola molecola. Il progetto ha avuto un balzo in avanti dopo che è stato presentato a Matthew Lew, assistente professore presso il Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering presso la McKelvey School of Engineering.

"Dopo diverse discussioni con Matt, abbiamo convenuto che l'hardware di microscopia e l'elaborazione delle immagini che stava sviluppando per la microscopia a super-risoluzione potrebbero fornire un potente strumento per ottenere informazioni strutturali sulla natura dei siti attivi nei catalizzatori su scala nanometrica che in precedenza era irraggiungibile, " ha detto Sadler.

Per il nuovo lavoro riportato in Catalisi ACS , i ricercatori hanno ripreso le singole reazioni chimiche che si verificano sulla superficie di singoli nanofili di ossido di tungsteno, un tipo di fotocatalizzatore su nanoscala che il gruppo di Sadtler ha sintetizzato per lo studio.

Hanno usato due reporter chimici diversi che diventano fluorescenti, o accendi, in risposta a diversi tipi di reazioni sulla superficie dei nanofili. Analizzando i modelli spaziali di dove si verificano queste reazioni chimiche, sono stati in grado di chiarire la struttura chimica dei siti attivi sulla superficie dei nanofili.

I ricercatori hanno scoperto che i gruppi di vacanze di ossigeno lungo la superficie del nanofilo attivano le molecole d'acqua adsorbite durante la generazione fotocatalitica di radicali idrossilici, un importante intermedio nella produzione di combustibili chimici, compreso idrogeno gassoso e metanolo, dalla luce del sole.

"Mentre gli studi precedenti si sono concentrati su offerte di ossigeno isolate, un tipo di difetto comune negli ossidi metallici, i risultati rivelano l'importanza di una caratteristica strutturale - i gruppi di vacanze di ossigeno - nel raggiungimento di un'elevata attività fotocatalitica, " ha detto Sadler.

"Questa nuova intuizione fornisce un percorso verso la progettazione di fotocatalizzatori con una maggiore attività per la conversione dalla luce solare al carburante controllando la distribuzione delle vacanze di ossigeno".

I risultati stessi e il processo utilizzato per scoprirli sono entrambi entusiasmanti per i ricercatori.

"È sempre un sogno osservare direttamente i singoli turni catalitici sulla superficie dei catalizzatori solidi mentre è in corso la trasformazione catalitica, " disse Meikun Shen, uno studente laureato in chimica e primo autore del nuovo articolo. "Posso parlare solo per me stesso, questa è la mia sensazione personale!"

Questo particolare approccio di imaging fornisce informazioni spaziali e temporali dettagliate sul processo catalitico, qualcosa che di solito è invisibile agli scienziati come lui, Ha spiegato Shen.

"In questo tipo di esperimento, le proprietà chimiche del catalizzatore sono solitamente difficili da rivelare, "Shen ha detto. "Siamo riusciti a superare questa difficoltà utilizzando due diverse molecole per sondare l'attività o la proprietà chimica dello stesso catalizzatore. La correlazione diretta che abbiamo osservato è unica nel campo di ricerca della catalisi eterogenea".