Les photocatalyseurs nanométriques sont petits, particules artificielles qui récupèrent l'énergie de la lumière du soleil pour produire des combustibles liquides et d'autres produits chimiques utiles. Mais même au sein d'un même lot, les particules ont tendance à varier considérablement en taille, forme et composition de surface. Cela rend difficile pour les chercheurs de dire ce qui fait vraiment le travail.

Une solution d'imagerie en temps réel développée à l'Université de Washington à St. Louis pourrait aider, comme rapporté dans une nouvelle étude dans le journal Catalyse ACS .

« Le défi de la corrélation des images optiques d'une molécule unique avec des sites actifs spécifiques dans les catalyseurs à l'échelle nanométrique est que la résolution spatiale de 10 à 25 nanomètres fournie par cette technique est toujours en moyenne sur de nombreux atomes à la surface du catalyseur, ce qui rend difficile la corrélation des événements de réaction. avec la structure du catalyseur, " a déclaré Bryce Sadtler, professeur adjoint de chimie en arts et sciences et co-auteur principal de la nouvelle étude.

Sadtler voulait essayer d'imagerie des réactions catalytiques à l'aide de la fluorescence d'une molécule unique depuis son arrivée à l'Université de Washington en 2014. Le projet a pris un nouvel essor après avoir été présenté à Matthew Lew, professeur adjoint au département Preston M. Green de génie électrique et des systèmes de la McKelvey School of Engineering.

"Après plusieurs discussions avec Matt, nous avons convenu que le matériel de microscopie et le traitement d'images qu'il développait pour la microscopie à super-résolution pourraient fournir un outil puissant pour obtenir des informations structurelles sur la nature des sites actifs dans les catalyseurs à l'échelle nanométrique qui étaient auparavant inaccessibles, " a déclaré Sadler.

Pour les nouveaux travaux rapportés dans Catalyse ACS , les chercheurs ont photographié des réactions chimiques individuelles se déroulant à la surface de nanofils d'oxyde de tungstène uniques, un type de photocatalyseur nanométrique que le groupe de Sadtler a synthétisé pour l'étude.

Ils ont utilisé deux reporters chimiques différents qui deviennent fluorescents, ou allumer, en réponse à différents types de réactions à la surface des nanofils. En analysant les schémas spatiaux de l'endroit où ces réactions chimiques se produisent, ils ont pu élucider la structure chimique des sites actifs à la surface des nanofils.

Les chercheurs ont découvert que des amas de lacunes d'oxygène le long de la surface du nanofil activent les molécules d'eau adsorbées lors de la génération photocatalytique de radicaux hydroxyles, un intermédiaire important dans la production de carburants chimiques, y compris l'hydrogène gazeux et le méthanol, de la lumière du soleil.

« Alors que les études précédentes se sont concentrées sur des lacunes isolées en oxygène, un type de défaut courant dans les oxydes métalliques, les résultats révèlent l'importance d'une caractéristique structurelle - des amas de lacunes d'oxygène - pour atteindre une activité photocatalytique élevée, " a déclaré Sadler.

"Cette nouvelle idée ouvre la voie à la conception de photocatalyseurs avec une activité améliorée pour la conversion de la lumière du soleil en carburant en contrôlant la distribution des lacunes d'oxygène."

Les résultats eux-mêmes - et le processus utilisé pour les découvrir - sont tous deux passionnants pour les chercheurs.

"C'est toujours un rêve d'observer directement les retournements catalytiques uniques à la surface de catalyseurs solides pendant que la transformation catalytique se déroule, " a déclaré Meikun Shen, un étudiant diplômé en chimie et premier auteur du nouvel article. "Je peux seulement parler pour moi même, c'est mon sentiment personnel !"

Cette approche d'imagerie particulière fournit des informations spatiales et temporelles détaillées sur le processus catalytique - quelque chose qui est généralement invisible pour les scientifiques comme lui, Shen a expliqué.

« Dans ce type d'expérience, les propriétés chimiques du catalyseur sont généralement difficiles à révéler, " a déclaré Shen. "Nous avons réussi à surmonter cette difficulté en utilisant deux molécules différentes pour sonder l'activité ou la propriété chimique du même catalyseur. La corrélation directe que nous avons observée est unique dans le domaine de recherche de la catalyse hétérogène. »