Исследователи из США впервые смогли составить полную карту реакционной способности нанокатализатора по всей его поверхности, получив при этом несколько неожиданные результаты. Результаты работы позволяют надеяться, что изучение механизма работы таких катализаторов может привести к созданию более эффективных каталитических систем.

С помощью систем получения изображения сверхвысокого разрешения исследвоатели под руководством Пенга Чена (Peng Chen) смогли определить, на каких участках отдельного нанокристалла протекают каталитические реакции.

Ранее исследователи из группы Чена разработали метод изучения каталитической производительности индивидуальной наночастицы золота. Теперь, по словам Чена, исследователи смогли разделить частицу на различные участки и изучать свойства каждого из участков.

Для изучения каталитической активности исследователи выбрали в качестве модельной реакцию окислительного деацетилирования – ацетильная группа молекулы-субстрата, не проявлявшего флуоресцентных свойств, расщеплялась на катализаторе – наностержне из золота до образования флуоресцирующего соединения.

Цифровая регистрация флуоресцентных сигналов от каждой образовавшейся на поверхности наностержня молекулы продукта происходила с помощью микроскопа, обладавшего достаточным разрешением для того, что исследователи могли знать точно, на каком участке наностержня образовывались продукты реакции.

Рис. 1. Наностержень проявляет большую
активность в центре, ближе к краям его
активность понижается. (Рисунок из Nat.
Nanotechnol., 2012, DOI: 10.1038/nnano.2012.18).

Весьма часто концы наностержня проявляют большую реакционную способность по сравнению с его средней частью – на краях содержится большее число дефектов, углов и граней, содержащих атомы с координационными вакансиями. Тем не менее, исследователи из группы Пенга неожиданно обнаружили, что для определенной фракции наностержей наблюдалась обратная зависимость –

наиболее высокой реакционной способностью отличается центр наностержня, а при движении к краям активность постепенно понижается, таким образом, у изученных наностержней концентрация дефектов повышается к их центру.

По какой причине центр наностержня является областью концентрации дефектов? Чен поясняет, что причиной этого феномена может быть особенность роста таких стержней – зародыш может увеличиваться в размерах в двух направлениях от центра, образуя стержень. Если рост на начальных стадиях происходит с большой скоростью, он медленно замедляется и, в итоге, превращается. Чен поясняет, что в области стержня, растущей с большей скоростью, существует большее количество дефектов, чем в областях, растущих с меньшей скоростью.

Роберт Риу (Robert Rioux), эксперт по гетерогенному катализу из Университета Пенсильвании соглашается с тем, что

полученные результаты весьма интересны и, мягко говоря, не согласуются с теми принципами гетерогенного катализа, которые уже давно вошли в многочисленные учебники.