Los fotocatalizadores a nanoescala son pequeños, partículas artificiales que recolectan energía de la luz solar para producir combustibles líquidos y otras sustancias químicas útiles. Pero incluso dentro del mismo lote, las partículas tienden a variar ampliamente en tamaño, forma y composición de la superficie. Eso hace que sea difícil para los investigadores saber qué es lo que realmente está haciendo el trabajo.

Una solución de imágenes en tiempo real desarrollada en la Universidad de Washington en St. Louis podría ayudar, como se informó en un nuevo estudio en la revista Catálisis ACS .

"El desafío de correlacionar imágenes ópticas de una sola molécula con sitios activos específicos en catalizadores a nanoescala es que la resolución espacial de 10 a 25 nanómetros proporcionada por esta técnica aún promedia sobre muchos átomos en la superficie del catalizador, lo que dificulta la correlación de eventos de reacción. con la estructura del catalizador, "dijo Bryce Sadtler, profesor asistente de química en Artes y Ciencias y coautor principal del nuevo estudio.

Sadtler quería intentar obtener imágenes de reacciones catalíticas utilizando fluorescencia de una sola molécula desde que llegó a la Universidad de Washington en 2014. El proyecto tuvo un impulso después de que conoció a Matthew Lew, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de Preston M. Green en la Escuela de Ingeniería McKelvey.

"Después de varias discusiones con Matt, Estuvimos de acuerdo en que el hardware de microscopía y el procesamiento de imágenes que estaba desarrollando para microscopía de súper resolución podrían proporcionar una herramienta poderosa para obtener información estructural sobre la naturaleza de los sitios activos en los catalizadores a nanoescala que antes era inalcanzable. "Dijo Sadtler.

Para el nuevo trabajo informado en Catálisis ACS , los investigadores tomaron imágenes de reacciones químicas individuales que tienen lugar en la superficie de nanocables de óxido de tungsteno individuales, un tipo de fotocatalizador a nanoescala que el grupo de Sadtler sintetizó para el estudio.

Usaron dos reporteros químicos diferentes que se vuelven fluorescentes, o se enciende, en respuesta a diferentes tipos de reacciones en la superficie de los nanocables. Al analizar los patrones espaciales de donde ocurren estas reacciones químicas, pudieron dilucidar la estructura química de los sitios activos en la superficie de los nanocables.

Los investigadores encontraron que los grupos de vacantes de oxígeno a lo largo de la superficie del nanoalambre activan las moléculas de agua adsorbidas durante la generación fotocatalítica de radicales hidroxilo, un intermedio importante en la producción de combustibles químicos. incluyendo gas hidrógeno y metanol, de la luz del sol.

"Si bien los estudios anteriores se han centrado en las vacantes de oxígeno aisladas, un tipo de defecto común en los óxidos metálicos, los resultados revelan la importancia de una característica estructural, grupos de vacantes de oxígeno, para lograr una alta actividad fotocatalítica, "Dijo Sadtler.

"Esta nueva información proporciona un camino hacia el diseño de fotocatalizadores con actividad mejorada para la conversión de luz solar en combustible mediante el control de la distribución de las vacantes de oxígeno".

Los resultados en sí mismos, y el proceso utilizado para descubrirlos, son emocionantes para los investigadores.

"Siempre es un sueño observar directamente los cambios catalíticos individuales en la superficie de los catalizadores sólidos mientras se lleva a cabo la transformación catalítica, "dijo Meikun Shen, estudiante de posgrado en química y primer autor del nuevo artículo. "Solo puedo hablar por mi mismo, este es mi sentimiento personal! "

Este enfoque de imágenes en particular proporciona información espacial y temporal detallada sobre el proceso catalítico, algo que generalmente es invisible para científicos como él. Shen explicó.

"En este tipo de experimento, las propiedades químicas del catalizador suelen ser difíciles de revelar, ", Dijo Shen." Logramos superar esta dificultad utilizando dos moléculas diferentes para probar la actividad o la propiedad química del mismo catalizador. La correlación directa que observamos es única en el campo de investigación de la catálisis heterogénea ".