นักวิจัยสามารถสังเกตการทำงานของ “ตัวสนับสนุน (promoter)” ในการเร่งปฏิกิริยาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบเรียลไทม์ (real time)
ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสิ่งจำเป็นอย่างมากในอุตสาหกรรมทางเคมีในปัจจุบัน โดยมีหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยาเคมีให้สามารถเกิดได้ในสภาวะที่ไม่รุนแรง เร็วขึ้น และประสิทธิภาพสูงขึ้น ทำให้มีการคิดค้นและพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่อยู่ตลอดเวลา โดยทั่วไปตัวเร่งปฏิกิริยาประกอบด้วย วัฏภาคกัมมันต์ (active phase) ตัวรองรับ (supporter) และตัวสนับสนุน (promoter) ซึ่งมีหน้าที่แตกต่างกันในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาเคมี การศึกษาเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกการทำงานของแต่ละส่วนประกอบจึงมีความสำคัญต่อการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น อย่างไรก็ตามในปัจจุบันความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ยังมีอย่างจำกัดเนื่องจากข้อจำกัดด้านเทคนิคและเครื่องมือที่สามารถศึกษาสิ่งเหล่านี้ได้อย่างชัดเจน
เมื่อไม่นานมานี้ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนา (Vienna University of Technology) ประเทศออสเตรีย ได้พัฒนาเทคนิคแบบเรียลไทม์ (real time) ในการสังเกตการทำงานของ promoter และสิ่งที่เกิดขึ้นภายในระบบของการเร่งปฏิกิริยาในระดับนาโน โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ 2 ชนิดร่วมกัน ได้แก่ Field ion microscopy (FIM) และ Field electron microscopy (FEM) ซึ่งเทคนิคนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการศึกษาหาชนิดและปริมาณ promoter ที่เหมาะสมในตัวเร่งปฏิกิริยาตามวิธีการวิจัยแบบดั้งเดิมที่เป็นแบบ trial and error
โดยทีมวิจัยนี้ทดลองศึกษาการเกิดปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อผลิตโมเลกุลของน้ำโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา rhodium ที่มี lanthanum เป็นตัวสนับสนุน ผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบพิเศษ (FIM & FEM) ที่มีปลายขนาดเล็กระดับนาโน (nanotip) ที่ทำให้สามารถเห็นการทำงานในระดับอนุภาคของ lanthanum และสิ่งที่เกิดขึ้นแบบเรียลไทม์ภายในนั้น
จากการศึกษาพบว่า สิ่งที่เกิดขึ้นขณะเกิดปฏิกิริยามีความซับซ้อน โดยจะมีพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา 2 บริเวณ (2 areas) ที่มีหน้าที่เป็นตัวควบคุมจังหวะ (pacemaker) ในการทำปฏิกิริยา เสมือนเป็นไวทยากรณ์ (conductor) ของวงดนตรี (orchestra) ที่คอยควบคุมจังหวะการเล่นดนตรีของสมาชิกในวง และการเกิดปฏิกิริยาในแต่ละพื้นที่จะเกิดขึ้นไม่เหมือนกัน บางครั้งในตำแหน่งเดิมที่เคยเกิดปฏิกิริยาเมื่อทำใหม่อาจจะไม่เกิดซ้ำเหมือนเช่นเดิม นอกจากนั้นแล้วพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาจะเกิดการสั่น (oscillation) และการสั่นเหล่านี้จะมีผลกระทบกับพื้นที่ผิวทั้งหมด
การเติม promoter หรือ lanthanum ในกรณีนี้จะเข้าไปเปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยา โดย lanthanum จะไปจับตัวกับออกซิเจนและเปลี่ยนตำแหน่งของการเกิดปฏิกิริยาบนพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา และทำหน้าที่ควบคุม pacemaker ที่เป็นตัวควบคุมจังหวะในการทำปฏิกิริยาอีกชั้นหนึ่ง เพื่อให้การทำงานไม่เกิดความซ้ำซ้อนและเป็นระเบียบมากขึ้น
การวิจัยนี้นำไปสู่การเปิดโอกาสให้นักวิจัยเข้าใจกลไกการทำงานของ promoter และตัวเร่งปฏิกิริยาในระดับนาโนอย่างละเอียด และเป็นฐานข้อมูลที่มีประโยชน์สำหรับการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีในอนาคต
(Source : https://phys.org/news/2023-11-principle-catalytic-reaction-real-time.html)
