p Fotocatalisadores em nanoescala são pequenos, partículas artificiais que coletam energia da luz solar para produzir combustíveis líquidos e outros produtos químicos úteis. Mas mesmo dentro do mesmo lote, as partículas tendem a variar amplamente em tamanho, forma e composição da superfície. Isso torna difícil para os pesquisadores dizer o que realmente está fazendo o trabalho. p Uma solução de imagem em tempo real desenvolvida na Washington University em St. Louis pode ajudar, conforme relatado em um novo estudo na revista Catálise ACS .

p "O desafio de correlacionar imagens ópticas de uma única molécula com sítios ativos específicos em catalisadores em nanoescala é que a resolução espacial de 10 a 25 nanômetros fornecida por esta técnica ainda tem a média de muitos átomos na superfície do catalisador - tornando difícil correlacionar eventos de reação com a estrutura do catalisador, "disse Bryce Sadtler, professor assistente de química em Artes e Ciências e co-autor principal do novo estudo.

p Sadtler queria tentar imagens de reações catalíticas usando fluorescência de molécula única desde que chegou à Universidade de Washington em 2014. O projeto deu um salto inicial depois que ele foi apresentado a Matthew Lew, professor assistente no Departamento Preston M. Green de Engenharia Elétrica e de Sistemas na Escola de Engenharia McKelvey.

p "Depois de várias discussões com Matt, concordamos que o hardware de microscopia e processamento de imagem que ele estava desenvolvendo para microscopia de super-resolução poderia fornecer uma ferramenta poderosa para obter informações estruturais sobre a natureza dos locais ativos em catalisadores em nanoescala que antes eram inatingíveis, "Sadtler disse.

p Para o novo trabalho relatado em Catálise ACS , os pesquisadores imaginaram reações químicas individuais ocorrendo na superfície de nanofios de óxido de tungstênio, um tipo de fotocatalisador em nanoescala que o grupo de Sadtler sintetizou para o estudo.

p Eles usaram dois repórteres químicos diferentes que se tornaram fluorescentes, ou acender, em resposta a diferentes tipos de reações na superfície dos nanofios. Ao analisar os padrões espaciais de onde essas reações químicas ocorrem, eles foram capazes de elucidar a estrutura química dos sítios ativos na superfície dos nanofios.

p Os pesquisadores descobriram que grupos de vacâncias de oxigênio ao longo da superfície do nanofio ativam as moléculas de água adsorvidas durante a geração fotocatalítica de radicais hidroxila - um importante intermediário na produção de combustíveis químicos, incluindo gás hidrogênio e metanol, da luz solar.

p "Embora estudos anteriores tenham se concentrado em vagas isoladas de oxigênio, um tipo de defeito comum em óxidos de metal, os resultados revelam a importância de uma característica estrutural - grupos de vacâncias de oxigênio - na obtenção de alta atividade fotocatalítica, "Sadtler disse.

p "Este novo insight fornece um caminho para projetar fotocatalisadores com atividade aprimorada para conversão de luz solar em combustível, controlando a distribuição de vazios de oxigênio."

p Os próprios resultados - e o processo usado para descobri-los - são estimulantes para os pesquisadores.

p "É sempre um sonho observar diretamente os turnovers catalíticos únicos na superfície de catalisadores sólidos enquanto a transformação catalítica está acontecendo, "disse Meikun Shen, estudante de graduação em química e primeiro autor do novo artigo. "Eu só posso falar por mim, este é o meu sentimento pessoal! "

p Esta abordagem de imagem específica fornece informações espaciais e temporais detalhadas sobre o processo catalítico, algo que geralmente é invisível para cientistas como ele, Shen explicou.

p "Neste tipo de experimento, as propriedades químicas do catalisador são geralmente difíceis de revelar, "Shen disse." Conseguimos superar essa dificuldade usando duas moléculas diferentes para sondar a atividade ou as propriedades químicas do mesmo catalisador. A correlação direta que observamos é única no campo de pesquisa da catálise heterogênea. "