Структурно-направленный синтез увеличивает фракцию химически активных граней кристалла.
Австралийские ученые разработали метод, позволяющий им создавать кристаллы с необычно большой фракцией химически активных граней. Исследовательская группа продемонстрировала, что кристаллы минерала анатаза, сформированного из диоксида титана могут быть приготовлены способом, который уменьшает фракцию химически инертных граней, которые имеют тенденцию доминировать на поверхности и увеличивает фракцию химически активных граней, которая обычно очень скудная (Nature 2008, 453, 638).
Кристаллы, со структурой и другими свойствами, традиционно могут служить как модельные системы для исследования поверхностных явлений, включая механизмы реакций. Исследование этих твердых тел с заданными свойствами и методы их получения могут также привести к определенным успехам в таких направлениях их применения, как катализ и фотоэлектроника.
Различные грани кристалла выглядят совершенно одинаково не только для невооруженного взгляда, они напоминают друг друга и на микроскопическом уровне. В плане структуры, к примеру, не важно как бриллиант или другой кристалл огранен, все его грани состоят из одинаковых элементов. Несмотря на эти сходства, тонкие различия в геометрическом расположении атомов в одной грани кристалла относительно другой, могут привести к большим различиям в химических, электронных и других свойствах этих двух граней.
Ученые, занимающиеся химией поверхности, обнаружили, что эти различия компенсируются определенными гранями данного каталитически активного кристалла, в то время как другие грани этого же кристалла в значительной степени неактивны. Так называемые (101) кристаллические грани минерала анатаза TiO2, к примеру, являются термодинамически устойчивыми, высоко обогащенными (обычно около 95% кристаллической поверхности) и в значительной степени инертны. С другой стороны, менее стабильное меньшинство (001) граней охотно катализирует реакцию разложения воды.
В прошлом, исследователи испытывали различные пути прямого выращивания кристаллов для создания специфичных граней. Эти попытки были лишь частично успешными. Сейчас, Huagui Yang, Chenghua Sun, и Gaoqing (Max) Lu из Австралийского института Биоинженерии и нанотехнологий в университете Квинсленда с сотрудниками синтезировали кристаллы особо чистого анатаза TiO2 примерно с 50% (001) гранями.
 |
| Оборотные (001) грани TiO2 являются реактивными, т.к. многие атомы Ti (серые на рисунке) на их поверхности являются ненасыщенными и имеют пентакоординированную (атомы кислорода - красные) конфигурацию (использовано изображение http://pubs.acs.org/cen/news). |
На основе теоретических расчетов, которые определяют эффекты 12 типов адсорбатов на энергетической поверхности и роста кристалла, группа определила, что присутствие фтора на гранях кристалла увеличивает фракцию (001) граней. Соответственно, группа разработала синтез, основанный на TiF4 и плавиковой кислоте, который дает на выходе (001)-гране-обогащенные кристаллы. Они также изобрели горячее взаимодействие, которое впоследствии сдерживает фтор и оставляет первоначальные кристаллы TiO2.
Скотт А. Чемберс из Тихоокеанской северо-западной лаборатории утверждает, что если новый синтез можно будет широко применить, то это открытие можно будет применить в катализе и других отраслях.
