Kolaborasi lingkungan untuk katalisis. Pertama, sejumlah nanopartikel tembaga diisolasi dalam tabung nano berisi gas. Para peneliti menggunakan cahaya untuk mengukur bagaimana pengaruhnya satu sama lain dalam proses di mana oksigen dan karbon monoksida diubah menjadi karbon dioksida. Tujuan jangka panjang dari penelitian ini adalah untuk menemukan “kolaborasi lingkungan” yang hemat sumber daya, di mana sebanyak mungkin partikel aktif secara katalitik pada saat yang sama. Kredit: David Albinsson / Universitas Teknologi Chalmers
Apakah Anda terpengaruh? Begitu juga dengan nanopartikel dalam katalis. Penelitian baru oleh Chalmers, diterbitkan dalam jurnal Kemajuan ilmiah saya Komunikasi tentang Alam, mengungkapkan bagaimana tetangga terdekat menentukan operasi nanopartikel dalam katalis.
“Tujuan jangka panjang dari penelitian ini adalah untuk dapat mengidentifikasi ‘partikel super’, untuk berkontribusi pada katalis yang lebih efisien di masa depan. Untuk menggunakan sumber daya yang lebih baik daripada saat ini, kami juga ingin sebanyak mungkin partikel terlibat aktif dalam reaksi katalitik pada saat yang bersamaan, ”kata Christoph Langhammer, pemimpin penelitian di Departemen Fisika. Universitas Teknologi Chalmers.
“Apa yang telah kami tunjukkan sekarang adalah bahwa bilangan oksidasi sebuah partikel dapat secara dinamis dipengaruhi oleh tetangga terdekatnya selama reaksi. Jadi harapannya adalah kami akhirnya dapat menghemat sumber daya dengan bantuan kerjasama lingkungan yang dioptimalkan dalam katalis, ”kata Christoph Langhammer, seorang profesor di Departemen Fisika Chalmers. Kredit: Universitas Teknologi Henrik Sandsjö / Chalmers
Bayangkan sekelompok besar tetangga berkumpul untuk membersihkan halaman komunitas. Mereka mengabdikan diri pada pekerjaan mereka, masing-masing berkontribusi pada upaya kelompok. Satu-satunya masalah adalah tidak semua orang sama aktifnya. Sementara beberapa bekerja secara efektif dan efisien, yang lain berjalan, mengobrol dan minum kopi. Jika kita hanya memperbaiki hasil akhirnya, akan sulit untuk mengetahui siapa yang bekerja paling keras dan siapa yang hanya santai. Untuk menentukan ini, Anda harus memantau setiap orang sepanjang hari. Hal yang sama berlaku untuk aktivitas nanopartikel logam dalam katalis.
Kemampuan untuk mempelajari partikel mana yang melakukan apa dan kapan
Dalam katalis, beberapa partikel mempengaruhi efisiensi reaksi. Beberapa partikel dalam kerumunan itu efektif, sementara yang lain tidak aktif. Tetapi partikel-partikel tersebut sering kali tersembunyi di dalam “pori-pori” yang berbeda, seperti pada spons, dan oleh karena itu sulit untuk dipelajari.
Para peneliti di Universitas Teknologi Chalmers mengisolasi segelintir partikel tembaga dalam tabung nano kaca bening sehingga mereka dapat melihat apa yang sebenarnya terjadi di dalam ketakutan katalis. Ketika beberapa berkumpul dalam pipa kecil yang penuh dengan gas, seseorang dapat mempelajari partikel mana yang melakukan apa dan kapan, dalam kondisi nyata.
Apa yang terjadi di dalam tabung adalah partikel-partikel tersebut bersentuhan dengan campuran gas oksigen yang masuk dan karbon monoksida. Saat zat ini bereaksi satu sama lain di permukaan partikel tembaga, karbon dioksida terbentuk. Ini adalah reaksi yang sama yang terjadi ketika gas buang dimurnikan dalam konverter katalitik kendaraan, kecuali bahwa partikel platina, paladium, dan rodium sering digunakan untuk menguraikan karbon monoksida yang beracun, bukan tembaga. Tetapi logam ini mahal dan langka, sehingga para peneliti mencari alternatif yang lebih hemat sumber daya.
“Tembaga bisa menjadi kandidat yang menarik untuk mengoksidasi karbon monoksida. Tantangannya adalah bahwa tembaga cenderung berubah selama reaksi, dan kita harus dapat mengukur bilangan oksidasi yang dimiliki partikel tembaga ketika ia paling aktif dalam katalis. Dengan nanoreaktor kami, yang meniru pori di dalam katalis nyata, ini sekarang akan menjadi mungkin, ”kata David Albinsson, peneliti pascadoktoral di Departemen Fisika Chalmers dan penulis utama dua makalah ilmiah terbaru di Science Advances dan Nature Communications. Kredit: Universitas Teknologi Helén Rosenfeldt / Chalmers
“Tembaga bisa menjadi kandidat yang menarik untuk mengoksidasi karbon monoksida. Tantangannya adalah bahwa tembaga cenderung berubah selama reaksi, dan kita harus dapat mengukur bilangan oksidasi yang dimiliki partikel tembaga ketika ia paling aktif dalam katalis. Dengan nanoreaktor kami, yang meniru pori di dalam katalis nyata, ini sekarang akan menjadi mungkin, ”kata David Albinsson, peneliti pascadoktoral di Departemen Fisika Chalmers dan penulis utama dua makalah ilmiah yang baru-baru ini diterbitkan di Science Advances dan Nature Communications.
Kerja sama lingkungan yang dioptimalkan dapat menghemat sumber daya
Siapapun yang pernah melihat atap atau patung tembaga tua akan mengenali bagaimana logam coklat kemerahan segera berubah menjadi hijau setelah kontak dengan udara dan polutan. Hal serupa terjadi dengan partikel tembaga di katalis. Oleh karena itu, penting untuk membuat mereka bekerja sama secara efektif.
“Apa yang telah kami tunjukkan sekarang adalah bahwa bilangan oksidasi sebuah partikel dapat secara dinamis dipengaruhi oleh tetangga terdekatnya selama reaksi. Jadi harapannya adalah kami akhirnya dapat menghemat sumber daya dengan bantuan kerjasama lingkungan yang dioptimalkan dalam katalis, ”kata Christoph Langhammer, seorang profesor di Departemen Fisika Chalmers.
Referensi:
“Katalisis Tembaga dalam Kondisi Operasi: Menjembatani Kesenjangan Antara Probe Partikel Nanopartikel dan Rata-Rata Dasar Katalis” oleh David Albinsson, Astrid Boje, Sara Nilsson, Christopher Tiburski, Anders Hellman, Henrik Ström, dan Christoph Langhammer, 24 September 2020, Komunikasi tentang Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-020-18623-1
“Deteksi operasi dari dinamika aktivitas individu nanopartikel dalam bahan katalis pori model” oleh David Albinsson, Stephan Bartling, Sara Nilsson, Henrik Ström, Joachim Fritzsche dan Christoph Langhammer, 19 Juni 2020, Kemajuan ilmiah.
DOI: 10.1126 / sciadv.aba7678