کشف راز فعالیت کاتالیستی بالای نانوذرات طلا

دانشمندان آزمایشگاه ملی ‏Ridge‏ ‏oak‏ یک راز طولانی مدت در زمینه کاتالیز را حل ‏کرده‌اند. این محققان کشف کرده‌اند که چرا فعالیت کاتالیستی طلا هنگامی که‌اندازه ‏ذرات آن کمتر از پنج نانومتر می‌شود، به شدت افزایش پیدا می‌کند، درصورتی که عکس ‏این حالت برای پلاتین صادق است.

دانشمندان آزمایشگاه ملی ‏Ridge‏ ‏oak‏ یک راز طولانی مدت در زمینه کاتالیز را حل ‏کرده‌اند.
این محققان کشف کرده‌اند که چرا فعالیت کاتالیستی طلا هنگامی که‌اندازه ‏ذرات آن
کمتر از پنج نانومتر می‌شود، به شدت افزایش پیدا می‌کند، درصورتی که عکس ‏این حالت
برای پلاتین صادق است.

مطالعات جدید نشان ‏می‌دهد که نانوذرات طلا می‌توانند بعنوان مواد
کاتالیستی کاربردهای گسترده‌ای داشته باشند. دانشمندان در سال ‏‏۱۹۸۰ کشف
کردند که فعالیت کاتالیستی ذرات طلای کوچکتر از پنج نانومتر، برای واکنش‌هایی
شبیه ‏اکسیداسیون مونوکسیدکربن در دمای پائین، خیلی بیشتر از فعالیت
کاتالیستی دیگر فلزات نجیب است. در ‏مقابل، نانوذرات پلاتین کمتر از پنج
نانومتر، فعالیت کاتالیستی کمتری دارند. تاکنون، کسی دلیل این ‏پدیده‌ها را
به روشنی نمی‌دانست؛ اما یک گروه از محققان در آزمایشگاه ملی ‏Ridge‏ ‏oak‏
برای جوابی برای این سؤال ‏پیدا کرده‌است. ‏
محاسبات این محققان نشان می‌دهد که اختلاف اساسی بین رفتار طلا و پلاتین
درمقیاس نانو، ناشی از اختلاف در استحکام پیوند آنها با مواد است.اگر چه هر
دو فلز هنگامی که‌ اندازه ذره آنها کوچک‌تر می‌شود، پیوند قوی‌تری با مواد
واکنش‌دهنده ‏برقرار می‌کنند، اما در پلاتین این پیوندها به‌قدری قوی هستند
که واکنش بین مواد واکنش‌دهنده، در دماهای ‏پایین هرگز اتفاق نمی‌افتد،‌ولی
در طلا، پیوندهای ضعیف‌تر و انعطاف‌پذیری نانوذرات، فعالیت کاتالیستی آنها
را ‏بالا نگه می‌دارند. ‏
آندریو لوپینی یکی از این محققان گفت: «ذرات طلا، در اندازه‌های نانو، کوچک،
نرم‌تر و انعطاف‌پذیر می‌شوند، لذا موادی که با این نانوذرات واکنش‌داده‌اند
اجازه حرکت و برهم‌کنش را خواهند داشت». او اضافه کرد: «همین امر سبب می‌شود
‏که طلا در مقیاس نانو خیلی فعال باشد». ‏
لوپینی و همکارانش، برای انجام این تحقیق از یک میکروسکوپ الکترونی عبوری
پیمایشگر (‏STEM‏) ‏ویژه که عدم انطباق کانونی در آن تصحیح شده بود،
استفاده کردند. در حال حاضر این میکروسکوپ ‏تصاویری با بهترین قدرت تفکیک
را می‌دهد.
این محققان با کمک این میکروسکوپ، قادر به گرفتن ‏تصاویری از خوشه‌های
طلایی که از نمونه‌های مشاهده‌شده ‌قبلی، کوچک و نازک‌تر بودند،‌‌شدند.
آنها سپس، برای تعیین فعالیت سایت‌های مختلف با کوردیناسیون متفاوت و
همچنین تعیین ‏چگونگی تاثیر ابعاد ذرات بر تعداد این سایت‌ها، از مجموعه‌ای
از اصول اولیه ‌استفاده کردند. ‏
کاتالیست‌های نانوذرات طلا کاربردهایی از قبیل استفاده در دستگاه تنفس
مصنوعی، کاهش ‏دهنده آلودگی در خودرو و حذف انتخاب‌پذیر مونواکسیدکربن از
گاز هیدروژن در پیل‌های سوختی دارند. این گروه تحقیقاتی اکنون می‌خواهند
روی روش‌های جدید ساخت این کاتالیست‌ها تحقیق کنند. ‏
لوپینی گفت: « با ترکیب روش تولید کاتالیست و اندازه‌گیری واکنش‌پذیری با
‏STEM‏ دارای قدرت ‏تفکیک بالا، و تئوری اصول اولیه در یک برنامه هم
نیروزادی، ما امیدواریم، دیدگاهای اساسی جدیدی در ‏مورد چگونگی کارکردن
آنها در مقیاس اتمی، به‌دست آوریم، به‌طوری که بتوان کاتالیست‌های جدیدی با
‏عملکرد بهتر تولید کرد». ‏
این محققان نتایج کار خود را در مجله ‏Physical Review B‏ منتشر کرده‌اند.