La configuración para un experimento en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab que usó luz infrarroja (que se muestra en rojo) y un microscopio de fuerza atómica (medio y superior) para estudiar la química de la superficie local en partículas de platino recubiertas (amarillas) que miden aproximadamente 100 nanómetros de longitud. Crédito:Universidad Hebrea de Jerusalén
Los defectos y las superficies irregulares en los bordes de las partículas nanométricas de platino y oro son puntos clave para la reactividad química. un equipo de investigadores que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel confirmó con una sonda infrarroja única.
Experimentos como este deberían ayudar a los investigadores a personalizar las propiedades estructurales de los catalizadores para hacerlos más efectivos en el fomento de reacciones químicas.
El estudio, publicado el 11 de enero en Naturaleza , es un paso importante en la crónica de cómo la estructura atómica de las nanopartículas impacta su función como catalizadores en reacciones químicas. Catalizadores, que juegan un papel en la producción de muchos productos industriales, como fertilizantes, combustible, y plásticos, son materiales que pueden acelerar las reacciones químicas y hacerlas más eficientes sin cambiar en el proceso.
Los científicos han sabido que los materiales pueden comportarse de manera diferente a nanoescala que en grandes cantidades, y que personalizar su tamaño y forma puede mejorar sus propiedades para usos específicos. Esta nueva técnica identificó las áreas de las partículas metálicas individuales, que miden alrededor de 100 nanómetros, que son más activas en las reacciones químicas.
Los investigadores combinaron un amplio espectro de luz infrarroja, producido por Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, con un microscopio de fuerza atómica para revelar diferentes niveles de reactividad química en los bordes de las nanopartículas individuales de platino y oro en comparación con sus suaves, superficies planas.
Utilizaron una capacidad única en ALS, denominado SINS (para nanoespectroscopía infrarroja basada en radiación de sincrotrón), para explorar la química detallada que ocurre en la superficie de las partículas, y logró una resolución de hasta 25 nanómetros.
"Te permite ver toda esta interacción en la química, "dijo Michael Martin, un científico senior a cargo de las líneas de luz infrarroja en el ALS. "Eso es lo que hace que esto sea especial".
Hans Bechtel, un científico investigador en Berkeley Lab que trabaja en las líneas de luz infrarroja de ALS, adicional, "Puede ver simultáneamente los reactivos y los productos formados en las reacciones".
En el experimento, Los investigadores recubrieron las partículas metálicas con una capa de moléculas reactivas y enfocaron la luz infrarroja producida por ALS en la punta diminuta (25 nanómetros de diámetro) del microscopio de fuerza atómica.
La punta del microscopio cuando se combina con la luz infrarroja altamente enfocada, funcionó como una antena extremadamente sensible para mapear la estructura de la superficie de nanopartículas individuales al mismo tiempo que revelaba su química superficial detallada.
De una colección de partículas de platino a nanoescala, izquierda, los investigadores se centraron en la química que ocurre en diferentes áreas de superficie de partículas de platino a nanoescala individuales como la de la derecha, que mide alrededor de 100 mil millonésimas de pulgada de ancho. Los investigadores encontraron que la reactividad química se concentra hacia los bordes de las partículas (círculo rojo a la derecha), con menor actividad en la zona central (círculo negro). Esta imagen fue producida por un microscopio de fuerza atómica. Crédito:mapeo de alta resolución espacial de reacciones catalíticas en partículas individuales, Naturaleza , 11 de enero 2017
"Pudimos ver la huella dactilar exacta de las moléculas en la superficie de las partículas y validar una hipótesis bien conocida en el campo de la catálisis, "dijo Elad Gross, miembro de la facultad del Instituto de Química y del Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea de Jerusalén, quien dirigió el estudio junto con F. Dean Toste, un científico de la facultad en la División de Ciencias Químicas en Berkeley Lab y profesor en el Departamento de Química de UC Berkeley.
Conocer el nivel preciso de energía que se necesita para desencadenar reacciones químicas (la energía de activación) es clave para optimizar las reacciones. y puede reducir los costos a escala industrial mediante la conservación del uso de energía.
"Esta técnica tiene la capacidad de decirle no solo dónde y cuándo ocurrió una reacción, sino también para determinar la energía de activación para la reacción en diferentes sitios, "Dijo Gross." Lo que tienes aquí es una herramienta que puede abordar cuestiones fundamentales en la investigación de catálisis. Demostramos que las áreas que son altamente defectuosas a nivel atómico son más activas que las superficies lisas ".
Esta característica se relaciona con el pequeño tamaño de las partículas, Gross anotó. "A medida que se reduce el tamaño de las partículas, la estructura es menos uniforme y tiene más defectos, " él dijo.
Las partículas más pequeñas tienen mayor área de superficie por partícula que las partículas más grandes, lo que significa que se ubicarán más átomos en los bordes. Los átomos en los bordes de las partículas tienen menos vecinos que los que se encuentran a lo largo de sus superficies lisas, y menos vecinos significa más libertad para participar en la química con otros elementos.
Como las reacciones químicas estudiadas ocurren muy rápidamente (en menos de un segundo) y la técnica de ALS puede tardar unos 20 minutos en escanear un solo punto en una partícula, los investigadores utilizaron una capa de moléculas químicamente activas, que estaban adheridos a la superficie de la partícula, como marcadores de la reactividad catalítica.
Dean Toste, izquierda, de Berkeley Lab y UC Berkeley, y Elad Gross, Derecha, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, dirigió un estudio de reactividad química específica del sitio en pequeñas partículas de platino y oro en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. Crédito:Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab
La reacción catalítica en el estudio fue análoga a lo que ocurre en los convertidores catalíticos de los vehículos a gasolina. Los convertidores catalíticos utilizan partículas de platino y otros materiales para convertir los gases de escape de los automóviles en emisiones menos tóxicas.
Los experimentos futuros planificados con la técnica SINS se centrarán en documentar procesos químicos activos que utilizan flujos controlados de gases o líquidos para desencadenar reacciones. los investigadores dijeron, y los experimentos futuros pueden usar presión y temperatura variables para medir los efectos.
"Creo que esta será una herramienta muy interesante para experimentos y análisis adicionales que pueden responder a muchas preguntas que antes no se podían responder. ", Dijo Gross." Esta herramienta nos da la capacidad de obtener una mejor resolución en tres órdenes de magnitud que algunas otras técnicas, lo que ha abierto un campo muy amplio para los estudios de catálisis y química de superficies ".
Los estudios futuros también podrían combinar métodos basados en rayos X e infrarrojos en la ALS para recopilar información química más rica, dijeron los investigadores. Ya hay planes para una nueva línea de luz infrarroja en el ALS que aumentará la capacidad y las capacidades para los estudios químicos infrarrojos y también lanzará estudios estructurales 3-D basados en infrarrojos en el ALS.
