瑞典查爾莫斯理工大學(xué)的研究人員使用一種新型納米反應(yīng)器成功繪制了單一金屬納米粒子的催化反應(yīng)圖。他們的工作可以幫助改進(jìn)化學(xué)過程，帶來更好的催化劑和更環(huán)保的化學(xué)技術(shù)。研究結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
提高催化劑的化學(xué)反應(yīng)速率。它們在許多重要的工業(yè)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，從制造燃料到藥品，再到幫助限制有害的汽車排放。它們也是新的可持續(xù)技術(shù)的重要組成部分，如燃料電池，通過氧氣和氫氣之間的反應(yīng)發(fā)電。催化劑還可以分解環(huán)境毒素，例如，清除水中的有毒化學(xué)物質(zhì)。
為了在未來設(shè)計(jì)更有效的催化劑，需要基礎(chǔ)知識，如了解單個活性催化粒子水平的催化效果。
為了直觀地理解今天催化反應(yīng)的問題，請想象一群人在足球比賽中，許多觀眾在場上點(diǎn)燃火炬。煙在人群中迅速蔓延。一旦形成一團(tuán)煙霧，幾乎無法判斷誰真正點(diǎn)燃了火炬，或者每個人燃燒得有多強(qiáng)烈。催化中的化學(xué)反應(yīng)以類似的方式發(fā)生。它涉及數(shù)以百萬計(jì)的單個粒子，很難跟蹤和確定每個特定粒子的作用——它們的有效性和每個粒子對反應(yīng)的貢獻(xiàn)。
為了更好地理解催化過程，有必要在單個納米粒子水平上進(jìn)行研究。新的納米反應(yīng)器使查爾莫斯的研究人員能夠做到這一點(diǎn)。該反應(yīng)器由大約50個平行的充滿液體的玻璃納米隧道組成。研究人員在每個隧道中放置了一個金納米粒子。盡管它們的大小相似，但每種納米粒子都有不同的催化質(zhì)量——有些非常有效，而另一些肯定不是最佳的。為了區(qū)分尺寸和納米結(jié)構(gòu)如何影響催化作用，研究人員分別測量了顆粒上的催化作用。
“我們將兩種類型的分子送入納米隧道，它們相互反應(yīng)。一種分子類型是熒光的并發(fā)光。只有當(dāng)納米粒子表面遇到第二種類型的伴侶時，光才會熄滅，而另一種化學(xué)物質(zhì)是分子之間的反應(yīng)。觀察納米隧道下游“納米隧道末端的光”的消失，我們可以跟蹤和測量每個納米粒子催化化學(xué)反應(yīng)的效率。”蘇尼萊文是一名博士生，是查爾莫斯理工大學(xué)生物與生物技術(shù)系的教授，也是科學(xué)文章的主要作者。
他在弗雷德里克韋斯特倫德教授和克里斯托夫朗哈默教授的指導(dǎo)下進(jìn)行了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。新的納米反應(yīng)器是查爾莫斯各部門研究人員廣泛合作的結(jié)果。
“有效的催化對于化學(xué)物質(zhì)的合成和分解至關(guān)重要。例如，催化劑對于以最佳方式制造塑料、藥物和燃料以及有效分解環(huán)境毒素至關(guān)重要，”該系教授Fredrik Westerlund說。查爾莫斯的生物學(xué)和生物技術(shù)。
開發(fā)更好的催化劑材料對可持續(xù)發(fā)展的未來至關(guān)重要，將帶來巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
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