Катализ — это процесс, который ускоряет химические реакции. Впервые учёные смогли напрямую наблюдать каталитическую реакцию на атомном уровне в реальном времени.
В ходе реакции происходит удаление атомов водорода из молекул спирта. На удивительных новых видеозаписях видно, как отдельные атомы двигаются и колеблются во время реакции. Исследование опубликовано в журнале Chem.
«Визуализируя этот процесс и отслеживая механизмы реакции, мы можем точно понять, что происходит в мельчайших деталях, — говорит первый автор исследования Йоси Кратиш из Северо-Западного университета в США. — В прошлом мы не могли видеть, как движутся атомы. Теперь можем. Когда я осознал, чего мы достигли, мне пришлось закрыть ноутбук и сделать перерыв на несколько часов. Никто раньше не делал ничего подобного в области катализа, поэтому я был поражён».
Наблюдения были сделаны с помощью SMART-EM — просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением и временным разрешением на уровне отдельных молекул. Это мощное устройство позволяет исследователям наблюдать за реакциями отдельных молекул в реальном времени.
«Большинство традиционных методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) работают в условиях, которые легко повреждают органические молекулы, — добавляет Кратиш. — Это чрезвычайно усложняет прямое наблюдение за чувствительными катализаторами или органическими веществами во время реакции с помощью традиционных методов ПЭМ».
Новая методика SMART-EM позволяет получать изображения деликатных органических молекул, используя гораздо меньшую дозу электронов и энергию.
Около 85% промышленных катализаторов являются гетерогенными, то есть они представляют собой твёрдые материалы, которые взаимодействуют с жидкостями и газами. Такие катализаторы стабильны и эффективны.
«Но у них есть серьёзный недостаток, — говорит Кратиш. — У них неизвестное количество участков, где могут происходить реакции. Поэтому мы не до конца понимаем, где и как происходят реакции. Это означает, что мы не можем точно определить, какая часть катализатора наиболее эффективна».
Это затрудняет наблюдение за работой катализатора.
Поэтому команда разработала катализатор с чётко определённым активным участком, где будет происходить реакция. Он состоял из частиц оксида молибдена, закреплённых на углеродной нанотрубке в форме конуса.
«Наличие одного участка намного удобнее, — говорит Кратиш. — Мы можем выбрать хороший участок для мониторинга и действительно увеличить его».
«Катализаторы делают современную жизнь возможной, — говорит старший автор Тобин Дж. Маркс, также из Северо-Западного университета. — Они используются для производства всего: от топлива и удобрений до пластмасс и лекарств. Чтобы сделать химические процессы более эффективными и экологически чистыми, нам нужно точно понимать, как работают катализаторы на атомном уровне. Наше исследование — большой шаг к достижению этой цели».