นักเคมีจากมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูศึกษาโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อนที่เรียกว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยาระดับนาโน" และพบว่าพวกมันไม่เสถียรอย่างที่นักวิทยาศาสตร์เคยคิด เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างการใช้งาน อะตอมอาจจัดเรียงใหม่ได้ ในบางกรณี นักวิจัยพบว่า electrocatalysts ย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์

การทำความเข้าใจว่าเหตุใดการจัดเรียงใหม่และการย่อยสลายจึงเป็นขั้นตอนแรกในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาระดับนาโนเหล่านี้ในความพยายามในการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อม เช่น การกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศและสารปนเปื้อนในน้ำใต้ดิน และเปลี่ยนให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง เช่น เชื้อเพลิง

"ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าในปัจจุบันอาศัยโครงสร้างระดับนาโนที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน" Anna Klinkova ศาสตราจารย์ในภาควิชาเคมีของ Waterloo กล่าว อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เราพบก็คือประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของวัสดุนาโนที่ซับซ้อนเหล่านี้มักจะต้องแลกมากับการเสื่อมสภาพของโครงสร้างอย่างค่อยเป็นค่อยไป เนื่องจากมีการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพและความเสถียรของวัสดุเหล่านี้

Klinkova และทีมงานของเธอค้นพบว่าการจัดเรียงอะตอมใหม่ในตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ รูปร่างโครงสร้าง และสภาวะปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยา

พวกเขาระบุเหตุผลสองประการสำหรับการจัดเรียงใหม่ โมเลกุลขนาดเล็กบางชนิดสามารถเกาะติดกับพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ชั่วคราว และลดพลังงานที่จำเป็นสำหรับอะตอมในการเคลื่อนที่ข้ามพื้นผิว ในกรณีอื่นๆ พื้นที่แคบภายในตัวเร่งปฏิกิริยาจะรวมกระแสของอิเล็กตรอน ทำให้อะตอมของโลหะเคลื่อนที่ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าอิเล็กโตรมิเกรชัน

Electromigration ได้รับการระบุก่อนหน้านี้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ แต่นี่เป็นครั้งแรกที่มีการเชื่อมต่อกับตัวเร่งปฏิกิริยาระดับนาโน

การค้นพบนี้กำหนดกรอบการทำงานสำหรับการประเมินความเสถียรของโครงสร้างและการทำแผนที่เรขาคณิตที่เปลี่ยนแปลงของตัวเร่งปฏิกิริยาระดับนาโน ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้นในอนาคต

"ผลกระทบเชิงโครงสร้างเหล่านี้สามารถนำมาใช้เป็นหนึ่งในกฎการออกแบบในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาในอนาคตเพื่อเพิ่มเสถียรภาพ" Klinkova กล่าว "คุณยังสามารถกระตุ้นการสร้างใหม่ให้กับโครงสร้างที่แตกต่างกันโดยตั้งใจซึ่งจะเริ่มทำงานเมื่อปฏิกิริยาเริ่มต้นขึ้น"

การศึกษาการทำงานร่วมกันของผลกระทบทางไฟฟ้าเคมีและไฟฟ้าทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในวารสารNature Catalysis