Химические колебания в наночастицах палладия могут проложить путь к переработке катализаторов из драгоценных металлов

Исследователи из Школы химии Ноттингемского университета использовали просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) для наблюдения за полным жизненным циклом наночастиц палладия в жидкой среде, от зарождения до роста и растворения, при этом весь цикл повторялся многократно. Это исследование опубликовано в Nanoscale.

Одно из важнейших применений металлических наночастиц — катализ, который является основой химической промышленности.

Доктор Хесум Алвес Фернандес, эксперт в этой области, сказал: «Механизмы катализа с участием палладия активно обсуждаются уже много лет, особенно в связи с тем, что на наноуровне различие между гомогенными (в растворе) и гетерогенными (на поверхности наночастиц) катализаторами становится размытым. Открытие того, что наночастицы палладия могут переключаться между этими двумя режимами, может помочь нам разработать новые эффективные катализаторы для реакций с нулевым выбросом, таких как восстановление углекислого газа и синтез аммиака. Кроме того, эти знания могут помочь в переработке и повторном использовании критически важных металлов, таких как палладий, запасы которого в мире стремительно сокращаются».

Законы термодинамики заставляют химические реакции, в том числе с участием наночастиц, протекать в одном направлении. Хотя колебательные химические реакции редко встречаются в искусственных процессах, они часто происходят в живых организмах, которые находятся вне термодинамического равновесия.

Понимание этих химических колебаний может помочь нам разгадать некоторые тайны природы, в том числе переход от хаоса к порядку, возникающее поведение, узоры на шерсти животных и даже происхождение жизни на Земле.

Профессор Андрей Хлобыстов возглавляет исследовательскую группу в Ноттингемском университете, которая занимается визуализацией химических реакций отдельных молекул и атомов в реальном времени и в прямом эфире.

Он говорит: «Мы решили изучить образование наночастиц палладия в жидкости и увидели, как наночастицы формируются прямо во время просвечивающей электронной микроскопии. Эти наночастицы появлялись из раствора соли палладия, со временем становясь крупнее и структурированнее. К нашему удивлению, как только наночастицы достигли размера около 5 нанометров, они начали растворяться в растворе, полностью исчезая, чтобы затем снова вырасти».

Наночастицы создают сложную разветвлённую структуру в жидкой среде, циклически пульсируя по мере роста и растворения. Однако, когда реакция происходит в капле раствора, заключённой в углеродную нанотрубку, которая служит миниатюрной пробиркой, жизненный цикл наночастиц можно наблюдать с атомным разрешением.

Углеродная нанотрубка замедляет процесс, позволяя детально наблюдать за ранними стадиями зарождения, роста и растворения. Это позволяет увидеть дискообразную форму с кристаллическими гранями, что говорит о взаимодействии наночастиц с молекулами растворителя.

Доктор Уилл Калл, научный сотрудник Школы химии Ноттингемского университета, сказал: «Ключ к пониманию этого неожиданного явления заключается в том, что электронная микроскопия — это мощный метод визуализации, который также может изменять наблюдаемый материал. Этот метод часто используется для создания структур с помощью электронного луча, но в данном случае энергия электронного луча используется для разрыва углеродно-водородных связей и вытеснения валентных электронов из бромидных анионов в растворителе. В результате запускаются химические реакции, пока мы получаем изображение образца».

Доктор Рис Лодж, проводивший измерения, объясняет: «Мы считаем, что химические реакции с участием растворителя, активируемые электронным лучом, приводят к восстановлению ионов палладия до металлического палладия, а также к окислению металлического палладия до ионов палладия. Из-за конкуренции между этими двумя процессами наночастицы непрерывно растут и уменьшаются, химически колеблясь между этими двумя состояниями».

Источник: Phys.org