Kuzeybatı üniversite liderliğindeki uluslararası bir bilim insanı ekibi, ilk kez, atom düzeyinde hareketsiz katalizi doğrudan gözlemledi.
Yeni videoları büyülediğinde, hidrojen atomlarını bir alkol molekülünden uzaklaştıran kimyasal bir reaksiyon sırasında tek atomlar hareket eder ve sallar. Süreci gerçek zamanlı olarak görerek, araştırmacılar reaksiyona dahil olan birkaç kısa ömürlü ara molekül ve daha önce gizli bir reaksiyon yolu keşfettiler.
Gözlemler, araştırmacıların bireysel moleküllerin gerçek zamanlı olarak reaksiyona girmesini izlemelerini sağlayan güçlü bir araç olan tek moleküllü atomik çözünürlük zamana bağlı elektron mikroskopisi (SMART-EM) ile mümkün oldu.
Reaksiyonları bu şekilde gözlemlemek, bilim adamlarının katalizörlerin nasıl çalıştığını anlamalarına yardımcı olur. Bu yeni içgörüler potansiyel olarak daha verimli ve sürdürülebilir kimyasal süreçler için tasarımlara yol açabilir.
“Tek bölgeli heterojen katalizle çalışmak için mekanik bir araç olarak atomik çözünürlüklü görüntüleme” çalışması dergide yayınlanmıştır. Kimyasal.
Northwestern’in ilk ve karşılıklı yazarı Yosi Kratish, “Bu süreci görselleştirerek ve reaksiyon mekanizmalarını takip ederek, en iyi ayrıntılarda neler olduğunu tam olarak anlayabiliriz.” Dedi.
“Geçmişte, atomların nasıl hareket ettiğini göremedik. Şimdi yapabiliriz. Ne başardığımızı fark ettiğimde, dizüstü bilgisayarımı kapatıp birkaç saat ara vermek zorunda kaldım. Kimse bunu daha önce katalizde yapmadı, bu yüzden sersemledim.”
“Katalizörler modern hayatı mümkün kılıyor,” dedi Northwestern’in kıdemli yazarı Tobin J. Marks. “Yakıt ve gübrelerden plastiklere ve ilaçlara kadar her şeyi yapmak için kullanılırlar. Kimyasal süreçleri daha verimli ve çevre dostu hale getirmek için katalizörlerin atom düzeyinde nasıl çalıştığını tam olarak anlamamız gerekir. Çalışmamız bunu başarmaya yönelik büyük bir adımdır.”
Kataliz konusunda uzman olan Marks, Charles E. ve Emma H. Morrison Kimya Profesörü ve Vladimir N. Ipatieff, Northwestern’in Weinberg Sanat ve Bilimler Koleji’nde katalitik kimya profesörü ve Northwestern McCormick Mühendislik Okulu’nda kimyasal ve biyolojik mühendislik profesörü.
Kratish, Marks grubunda kimya araştırma görevlisi profesörüdür. Marks ve Kratish, McCormick’te Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Michael Bedzyk ve Weinberg’de Charles E. ve Emma H. Morrison’ın kimya profesörü ile birlikte çalışmaya ve Tokyo Üniversitesi Profesör Eiichi Nakamura, akıllı profesör Nakamura ve yardımcı Profesör Nakamura ve yardımcı Profesör Nakamura ve yardımcı Profesör Nakamura ile birlikte yönetti.
‘Sinematik Kimya’ ile Kısalan Molekülleri Yakalama
Araştırmacılar uzun zamandır atom düzeyinde canlı katalitik olayları gözlemlemeye çalıştılar. Kimyasal reaksiyonlar, başlangıç malzemeleri ve son ürün arasında bir yolculuk gibidir. Yolculuk boyunca, geçici ve bazen beklenmedik moleküller oluşur ve daha sonra aniden diğer moleküllere dönüşür. Bu sözde “ara” moleküller öngörülemez ve geçici olduğu için tespit edilmesi zordur.
Bununla birlikte, reaksiyonun ortaya çıkmasını doğrudan izleyerek, bilim adamları tam reaksiyon yolunu ortaya çıkarmak için kesin olay sırasını belirleyebilir ve bu zor ara maddeleri görebilirler. Ancak, yakın zamana kadar, bu gizli dinamikleri gözlemlemek imkansızdı.
Geleneksel elektron mikroskopları atomları görüntüleyebilirken, kirişleri katalizde kullanılan yumuşak, organik maddeyi görüntülemek için çok güçlüdür. Yüksek enerjili elektronlar, karbon bazlı yapıları kolayca parçalayarak, bilim adamları verileri toplayabilmeden önce onları yok eder.
Kratish, “Çoğu geleneksel iletim elektron mikroskopi teknikleri, organik moleküllere kolayca zarar veren koşullarda çalışır.” Dedi. “Bu, geleneksel TEM yöntemlerini kullanarak bir reaksiyon sırasında hassas katalizörleri veya organik maddeyi doğrudan gözlemlemeyi son derece zorlaştırıyor.”
Bu zorluğun üstesinden gelmek için ekip, hassas organik moleküllerin görüntülerini yakalayabilen yeni bir teknik olan Smart-EM’ye döndü. 2018’de Nakamura ve ekibi tarafından tanıtılan Smart-EM, numuneye transfer edilen enerji miktarını ve hasarı en aza indirerek çok daha düşük bir elektron dozu kullanıyor. Hızlı görüntü dizilerini yakalayarak, Smart-EM, Nakamura’nın “sinematik kimya” dediği dinamik süreç videoları oluşturur.
Nakamura, 2019’da yaptığı açıklamada, “2007’den beri fizikçiler 200 yaşından büyük bir rüyayı gerçekleştirebildiler – bireysel bir atomu görme yeteneği.” Dedi. “Ama orada bitmedi. Araştırma grubumuz, kimyasal reaksiyonları benzeri görülmemiş ayrıntılarla görmek için molekül videoları oluşturmak için bu rüyanın ötesine ulaştı.”
Dağınıktan ölçülebilir
Smart-EM’yi ilk kez katalize uygularken, Northwestern ekibi basit bir kimyasal reaksiyon seçti: hidrojen atomlarının bir alkol molekülünden çıkarılması. Ama önce doğru katalizörü seçmeleri gerekiyordu. Endüstriyel katalizörlerin yaklaşık% 85’i heterojendir, yani sıvılar ve gazlarla reaksiyona giren katı maddelerdir.
Heterojen katalizörler stabil ve verimli olmasına rağmen, reaksiyonların meydana gelebileceği birçok farklı yüzey bölgesi ile dağınıktır.
“Heterojen katalizörlerin birçok avantajı var,” dedi Kratish. “Ama büyük bir dezavantaj var: Çoğu durumda, kara bir kutu. Reaksiyonların meydana gelebileceği bilinmeyen sayıda siteye sahipler. Yani, reaksiyonların nerede ve nasıl gerçekleştiğini tam olarak anlamıyoruz. Bu, katalizörün hangi kısmının en etkili olduğunu tam olarak anlayamayacağımız anlamına geliyor.”
Katalizörün daha kolay çalışılmasını sağlamak için, Northwestern ekibi iyi tanımlanmış aktif bir alanla tek sitelik heterojen bir katalizör tasarladı. Tek bölgeli katalizör, koni şekilli bir karbon nanotüpe tutturulmuş molibden oksit partiküllerinden oluşuyordu. Daha sonra ekip, katalizörlerinin etanolün fosil yakıtlara temiz bir alternatif olan hidrojen gazına dönüştürülmesini nasıl kolaylaştırdığını araştırmak için Smart-EM kullandı.
“Tek bir siteye sahip olmak çok daha uygun,” dedi Kratish. “İzlemek ve gerçekten yakınlaştırmak için iyi bir site seçebiliriz.”
Gizli bir yolun ortaya çıkması
Çalışmadan önce, bilim adamları alkolün doğrudan katalizöre gittiğini, burada hidrojen gazı ve aldehid (bir alkol molekülü oksitlendiğinde oluşan bir molekül) haline geldiğini ileri sürdüler. Oradan, oda sıcaklığında bir gaz olan aldehit havaya kaçtı. Ancak süreci izlemek farklı bir hikaye ortaya çıktı.
Smart-Em’i kullanarak, araştırmacılar Aldehid’in yüzmediğini, bunun yerine katalizöre yapıştığını keşfettiler. Ayrıca, genel reaksiyonu yönlendirdiği görülen daha önce bilinmeyen bir adım olan kısa zincirli polimerler oluşturmak için birbirine bağlanmış aldehitleri buldular. Başka bir sürprizle, araştırmacılar aldehitin ayrıca daha sonra diğer ürünlere dönüştürülen bir ara molekül olan hemiacetal oluşturmak için alkolle reaksiyona girdiğini keşfettiler.
Bu bulguları doğrulamak için ekip çeşitli mikroskopi teknikleri, röntgen analizi, teorik modeller ve bilgisayar simülasyonları kullandı. Hepsi Smart-EM verileriyle eşleşti.
“Bu büyük bir atılım,” dedi Kratish. “Smart-EM kimyaya bakma şeklimizi değiştiriyor. Sonunda, bu ara maddeleri izole etmek, sisteme koyduğumuz enerji miktarını kontrol etmek ve canlı bir organik katalitik dönüşümün kinetiğini incelemek istiyoruz. Bu olağanüstü olacak. Bu sadece başlangıç.”
