روشی جدید برای تصویربرداری از نانوذرات الکتروکاتالیستی

نانوذرات کاتالیستی می‌توانند با بهینه‌سازی سرعتی که واکنش شیمیایی در آن انجام می‌شود، کارایی فراوانی در صنعت، بیوپزشکی و حتی در زندگی روزمره داشته باشند. به‌عنوان مثال می‌توانند در تولید پلیمرها و سوخت‌های زیستی، تقویت واکنش‌های مورد نیاز برای پیل‌های سوختی و سنتز داروهای جدید کاربرد داشته باشند بنابراین یافتن نانوذرات کاتالیستی جدیدتر و موثرتر برای کاربری‌های مذکور حیاتی است.

Nongjian (NJ) Tao پژوهشگر مؤسسهBiodesign در دانشگاه آریزونا راه جدیدی برای اندازه‌گیری واکنش‌های کاتالیستی تک نانوذره و چند نانوذره کشف کرده است این روش به مشخصه‌سازی و بهینه کردن نانوذرات کاتالیستی کمک کرده و منجر به پیشرفت مسیر تحقیقات در آینده می‌شود.

بیشتر مواد کاتالیستی سنتز شده در آزمایشگاه حاوی ذراتی با اندازه متفاوت و در نتیجه فعالیت کاتالیستی گوناگون هستند اما روش‌های آنالیز معمول، خواص متوسط نانوذرات را اندازه می‌گیرد و خواص منحصر به‌فرد هر نانوذره را نادیده می‌گیرد.

قابلیت اندازه‌گیری خواص هر ذره نانوکاتالیست توانایی تعیین رابطه بین بازده کاتالیستی نانوذرات و سایز، شکل و ترکیب درصد آنها را فراهم می‌آورد.

در پژوهش حاضر، آنالیز خواص نانوذرات پلاتین که به‌عنوان کاتالیست الکتروشیمیایی می‌کنند با تکنیک جدیدی موسوم به تصویربرداری الکتروشیمیایی پلاسمونیک انجام شده است. این روش از قدرت تفکیک بالای‌شناساگرهای نوری و حساسیت و گزینش‌گری بالای‌شناساگر‌های الکتروشیمیایی به‌طور هم‌زمان بهره می‌برد. نتایج این پژوهش در مجله Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است.

تاکنون برای تصویربرداری از واکنش‌های الکتروشیمیایی از میکروسکوپ روبشی الکتروشیمیایی (SECM) استفاده می‌شده است در این روش از اسکن مکانیکی سطح نمونه با میکروالکترود استفاده می‌شود در این فرایند سرعت تصویر‌برداری محدود بوده و حضور میکروالکترود، خود منجر به تغییر سطح نمونه می‌شود.

روش جدید بر مبنای تصویربرداری نوری واکنش‌های الکتروشیمیایی با استفاده از روش “پاسخ پلاسمون سطح (SPR) ” است. پلاسمون سطح عبارت است از نوسان الکترون‌های آزاد در یک الکترود فلزی که می‌توانند به وسیله نور ایجاد و‌شناسایی شوند. هر واکنش الکتروشیمیایی با تبادل الکترون بین واکنش دهنده و الکترود انجام می‌شود و در واکنش‌های الکتروشیمیایی معمول به وسیله SECM، الکترون‌ها ‌شناسایی می‌شوند.

به گفته تائو، سرپرست تیم تحقیقاتی، در این روش، اندازه‌گیری واکنش‌های الکتروشیمیایی بدون ‌شناسایی مستقیم الکترون‌ها صورت می‌گیرد.‌شناسایی تبدیل واکنش دهنده به محصولات واکنش همراه با تبادل الکترون اساس این روش است. این مبادله در مجاورت الکترودها بر پلاسمون اثر گذاشته و باعث تغییر در انعکاس نور می‌شود که نهایتا روش را به یک تصویربرداری نوری تبدیل می‌کند.

با استفاده از این روش SPR، فعالیت الکتروکاتالیستی میکروآرایه‌ای از نانوذرات پلاتینیوم قرارگرفته بر روی الکترود طلا تعیین شد که برای اولین بار یک روش ساده برای تعیین فعالیت کاتالیستی نانوذرات ارائه می‌دهد.

این مطالعه نشان می‌دهد که این روش می‌تواند برای آنالیز یک نانوذره منحصر به‌فرد مورد استفاده قرار گیرد. به‌علاوه میکروآرایه‌ها با چگالی متفاوتی از نانوذات نیز با این روش مورد بررسی قرار می‌گیرند. نتایج نشان می‌دهد که در یک پتانسیل خاص، جریان الکتروکاتالیستی با چگالی نانوذارت متناسب است. به‌علاوه وقتی یک نانوذره به‌وسیله‌ی روش SPR مورد آنالیز قرار می‌گیرد، نتایج توافق خوبی با آنالیزهای AFM و TEM نشان می‌دهد.

تائو خاطر نشان می‌کند که SPR به‌عنوان یک روش تصویر‌برداری سریع که مزایای آنالیزهای نوری و الکتروشیمیایی را به‌طور هم‌زمان داراست، می‌توانند در تمام روش‌های آنالیزی که در آنها از الکتروشیمی استفاده می‌شود، به‌کار برده شود.