Działanie katalityczne pojedynczych nanocząsteczek
Uczeni na całym świecie interesują się systemami złożonymi z nanocząsteczek metali szlachetnych umieszczonych na nanostrukturalnym podłożu elektrodowym. Podłoże to to najczęściej grafen, jednościenne nanorurki węglowe, grafit lub przewodzący diament. Do skutecznego wykorzystania takich systemów elektrokatalitycznych potrzebna jest szczegółowa znajomość procesów zachodzących na poziomie pojedynczych nanocząsteczek. Prowadzona w ramach finansowanego ze środków UE projektu "Visualising electrocatalysis at the nanoscale" (VISELCAT) współpraca między specjalistycznymi laboratoriami zajmującymi się elektrokatalizą oraz wysokorozdzielczą elektrochemią i obrazowaniem okazała się bardzo owocna. Sukces był możliwy dzięki opracowaniu pionierskiego mikroskopu skaningowego SECCM (Scanning Electrochemical Cell Microscopy) umożliwiającego badanie poszczególnych miejsc na powierzchni elektrod. Dzięki bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej naukowcom udało się uzyskać odpowiedź na wiele pytań dotyczących właściwości transferu elektronów przejawianych przez materiały, z których wykonane są podłoża. Szczególnie ważne są przełomowe prace nad wysoce zorientowanym grafitem pirolitycznym, które dowiodły konieczności zrewidowania ogólnie przyjętych poglądów. Naukowcy wykorzystali też SECCM do zbadania tworzenia się nanocząsteczek, odkrywając wcześniej niedoceniane znaczenie interakcji między nanocząsteczkami i materiałami podłoża. Ustalenia te pomagają w prowadzeniu nowych badań nad procesami osadzania elektrolitycznego. Uczeni zbadali za pomocą SECCM również materiały elektrokatalityczne. Obserwacje te dowodzą, że dla miejscowej reaktywności ważna jest struktura ziarna oraz zorientowanie powierzchniowe poszczególnych ziaren. Badania reaktywności pojedynczych nanocząsteczek w obrębie zespołu nanocząsteczek platynowych umieszczonych na pojedynczej nanorurce węglowej pokazały, że subtelne zmiany morfologii nanocząsteczek powodują radykalną zmianę reaktywności. Innowacyjna aparatura badawcza łącząca niezwykle małą pipetę z mikroskopem SECCM umożliwiła zbadanie lądowania poszczególnych nanocząsteczek na materiałach elektrodowych podłoża. Niski prąd podstawy pozwolił naukowcom na wykrycie minimalnych sygnałów prądowych płynących z nanocząsteczek z dobrą rozdzielczością czasową. Zespół mógł tym samym po raz pierwszy w historii scharakteryzować właściwości elektrochemiczne i fizyczne na poziomie pojedynczych nanocząsteczek. Wyniki tych badań opublikowano już w ośmiu artykułach na łamach czasopism naukowych, a kolejne są przygotowywane do publikacji. Omawiane odkrycia i techniki torują drogę ku optymalizacji elektrokatalizy poprzez manipulowanie wielkością i aktywnością katalityczną nanokatalizatorów na poziomie pojedynczych nanocząsteczek. Ich szersze wykorzystanie może przynieść szybkie postępy oraz długo wyczekiwany przełom w dziedzinie elektrokatalizy w takich dziedzinach, jak alternatywne systemy energetyczne, czujniki, oczyszczanie wody czy synteza chemiczna.
Słowa kluczowe
Nanocząsteczka, działanie katalityczne, elektrokataliza, technologie energetyczne, działanie elektrokatalityczne, pojedyncze nanocząsteczki, elektroda węglowa, elektrochemia, nanoskalowe, skaningowa mikroskopia, grafit pirolityczny, transfer elektronów
