Впервые исследователи непосредственно наблюдали слияние атомов водорода и кислорода с образованием нанопузырьков. Реакции с использованием палладия в качестве катализатора можно оптимизировать, сначала добавляя молекулярный водород. Поскольку он не требует экстремальных условий, он потенциально может производить воду в засушливых условиях, в том числе на других планетах.
Палладий (Pd) используется в качестве катализатора реакций гидрирования и окисления с начала 20 века. Подробно изучена реакция окисления водорода с образованием воды на поверхности палладия. Однако отдельные этапы этой реакции остаются плохо изученными, в основном из-за сложных взаимодействий между атомами, которые изменяются в зависимости от температуры и давления. «Это известный, но не до конца изученный феномен», — объяснил Юкунь Лю, автор нового исследования, в пресс-релизе Северо-Западного университета.
«Чтобы понять эту реакцию и оптимизировать ее, нам необходимо объединить прямую визуализацию процесса образования воды со структурным анализом на атомном уровне», — добавил он. До сих пор визуализация стадий реакции с такой точностью была серьезной технической задачей. Лю и его коллеги подробно описали этот процесс, разработав новую технику наномасштабных наблюдений.
Метод также позволяет определить оптимальные условия получения воды в условиях окружающей среды. «Помните персонажа Мэтта Дэймона Марка Уотни в «Марсианине»? Он сжигал ракетное топливо, чтобы получить водород, а затем добавлял кислород. Наш процесс похож, но не использует огонь или другие экстремальные условия. Мы просто смешиваем палладий и газ», — объясняет Винаяк Дравид, соавтор исследования.
Самые маленькие пузырьки из когда-либо наблюдавшихся
Технология, разработанная командой Северо-Западного университета, включает в себя ультратонкие стеклянные мембраны, которые улавливают молекулы газа внутри сотовых нанореакторов, что позволяет наблюдать их в реальном времени с помощью просвечивающей электронной микроскопии в высоком вакууме. Эти системы устраняют молекулы, которые могут загрязнить процесс, и изолируют те, на которые необходимо воздействовать.
Используя эту новую технологию, исследователи могут изучать образцы газа при атмосферном давлении с разрешением 0,102 нанометра по сравнению с разрешением 0,236 нанометра у других современных инструментов. Это также позволяет одновременно анализировать спектральную информацию и другие важные параметры.
Наблюдая за катализом палладия по образованию воды, команда заметила, что атомы водорода проникают в кубическую решетку металла, заставляя ее расширяться. При добавлении кислорода исследователи заметили, что на поверхности металлической конструкции быстро образовывались пузырьки воды (в течение 6 секунд после реакции). Они считают, что это самый маленький волдырь, когда-либо наблюдавшийся.
Обратите внимание: Ученые впервые обнаружили всеядных акул .
Масштабная полоса соответствует 10 нм.Нанометрическая версия экспериментального зонда «Чандраян-1»
Чтобы убедиться, что это действительно пузырьки воды, команда провела спектроскопию потерь энергии электронов. Этот метод предполагает воздействие на пузырек электронного луча, кинетическая энергия которого узко определена.
Спектры потерь энергии электронов указывают на точную природу материала, проходящего через них. Эксперимент, проведенный исследователями, представляет собой наномасштабную версию эксперимента, использованного лунным зондом «Чандраян-1» для обнаружения молекул воды на Луне. Они обнаружили, что спектры пузырьков действительно указывают на наличие кислородных связей, уникальных для воды. Эти результаты были подтверждены оценкой их температур кипения, которые точно соответствуют температуре воды.
Скорость реакции, зависящая от последовательности введения газа
Второй этап исследования заключается в оценке способов оптимизации процесса. Для этого исследователи добавляли кислород и водород в разных временных последовательностях, чтобы определить последовательность, в которой вода образовывалась быстрее всего. Результаты показывают, что на скорость катализируемого палладием окисления водорода существенно влияет порядок добавления газа. Добавление водорода первым приведет к самой быстрой реакции.
Такая эффективность обусловлена тем, что атомы водорода очень малы и легко проникают в решетку палладия. При добавлении атомов кислорода водород «выскакивает» из палладия и вступает с ним в реакцию. После этого палладий сжимается обратно в исходное состояние. Однако, хотя атомы кислорода энергетически выгодны для поглощения палладия, они слишком громоздки, чтобы проникнуть в кристаллическую решетку. При первом введении кислорода он покрывает поверхность палладия тонкой пленкой, не давая водороду впитаться и начать реагировать.
Потенциальное применение в космосе
Хотя это исследование было посвящено производству воды на наноуровне, больше воды можно было получить, используя более крупные чешуйки палладия. Это может открыть путь для применения в космосе: листы палладия, наполненные водородом, можно будет транспортировать с Земли, а кислород добавлять по прибытии в пункт назначения.
И хотя палладий стоит дорого, его можно перерабатывать практически бесконечно. «Единственное, что потребляется в этом процессе, — это газ, а водород — самый распространенный газ во Вселенной. После завершения реакции мы можем использовать палладиевую платформу снова и снова». Результаты эксперимента подробно описаны в журнале .
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Впервые исследователи непосредственно наблюдали слияние атомов водорода и кислорода с образованием нанометрических пузырьков воды.