Исследование алюминиевых нанокатализаторов, проведенное лабораторией нанофотоники Университета Райса, показало, что осьминоги (слева), шестигранные частицы с острыми углами, имели скорость реакции в пять раз выше, чем нанокубы (в центре), и в 10 раз выше, чем у 14-сторонних нанокристаллов. Кредит: Изображение предоставлено Линь Юань / Университет Райса
Исследование: Заостренные кончики алюминиевых «осьминогов» увеличивают каталитическую активность.
Очки имеют значение при разработке наночастиц, которые управляют важными химическими реакциями, используя силу света.
Исследователи из Лаборатории нанофотоники (LANP) Университета Райса давно знали, что форма наночастицы влияет на то, как она взаимодействует со светом, и их последнее исследование показывает, как форма влияет на способность частицы использовать свет для катализирования важных химических реакций.
В сравнительном исследовании аспиранты LANP Линь Юань и Минхан Лу и их коллеги изучали наночастицы алюминия с идентичными оптическими свойствами, но разной формы. У наиболее закругленных было 14 граней и 24 тупых острия. Другой имел форму куба с шестью сторонами и восемью углами под углом 90 градусов. У третьего, которого команда назвала «осьминог», тоже было шесть сторон, но каждый из восьми углов заканчивался заостренным концом.
Исследования аспирантов Минхана Лу (слева) и Линь Юаня из лаборатории нанофотоники Университета Райса показали, что форма нанокатализатора влияет на его способность фотокатализовать важные химические реакции. Предоставлено: Фото Джеффа Фитлоу / Университет Райса.
Все три разновидности обладают способностью улавливать энергию света и периодически выделять ее в виде сверхэнергетических горячих электронов, которые могут ускорять каталитические реакции. Юань, химик из исследовательской группы директора LANP Наоми Халас, провела эксперименты, чтобы увидеть, насколько хорошо каждая из частиц работает как фотокатализатор реакции диссоциации водорода. Испытания показали, что у осьминогов скорость реакции в 10 раз выше, чем у 14-сторонних нанокристаллов, и в пять раз выше, чем у нанокубов. Осьминоги также имели более низкую кажущуюся энергию активации, примерно на 45% ниже, чем у нанокубов, и на 49% ниже, чем у нанокристаллов.
Наоми Халас из Университета Райса – инженер, химик и пионер в области активируемых светом наноматериалов. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.
«Эксперименты продемонстрировали, что более острые углы повышают эффективность», – сказал Юань, соавтор исследования, опубликованного в журнале Американского химического общества. ACS Nano. «У осьминогов угол углов составляет около 60 градусов по сравнению с 90 градусами у кубиков и более закругленных точек на нанокристаллах. Таким образом, чем меньше угол, тем больше увеличивается эффективность реакции. Но насколько малым может быть угол, зависит от химического синтеза. Это монокристаллы, предпочитающие определенные структуры. Вы не можете сделать бесконечно большей резкости ».
Лу, физик и соавтор исследования в исследовательской группе Питера Нордландера из LANP, проверил результаты каталитических экспериментов, разработав теоретическую модель процесса передачи энергии горячих электронов между светоактивированными наночастицами алюминия и молекулами водорода.
«Мы вводим длину волны света и форму частицы», – сказал Лу. «Используя эти два аспекта, мы можем точно предсказать, какая форма даст лучший катализатор».
Эта работа является частью продолжающихся усилий LANP в области зеленой химии по разработке коммерчески жизнеспособных активируемых светом нанокатализаторов, которые могут вводить энергию в химические реакции с хирургической точностью. LANP ранее демонстрировала катализаторы для производства этилена и синтез-газа, расщепления аммиака для производства водородного топлива и для разрушения «химикатов навсегда».
«Это исследование показывает, что форма фотокатализатора – еще один элемент конструкции, который инженеры могут использовать для создания фотокатализаторов с более высокими скоростями реакции и более низкими активационными барьерами», – сказал Халас, профессор электротехники и компьютерной инженерии Стэнли С. Мура Райс, директор Института Смолли-Керла Райса и профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии.
###
Ссылка: «Морфологическая реактивность плазмонного фотокатализатора» Лин Юань, Минхан Лу, Бенджамин Д. Кларк, Минге Лу, Линан Чжоу, Шу Тянь, Кристиан Р. Якобсон, Питер Нордландер и Наоми Дж. Халас, 12 августа 2020 г., САУ Нано.
DOI: 10.1021 / acsnano.0c05383
Нордландер – заведующий кафедрой Wiess, профессор физики и астрономии, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии.
Среди соавторов дополнительных исследований – Бенджамин Кларк, Минхэ Лу, Линан Чжоу, Шу Тянь и Кристиан Якобсон, все из Райса. Исследование было поддержано Фондом Уэлча (C-1220, C-1222), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-15-1-0022), Агентством по уменьшению угрозы обороны (HDTRA 1-16-1-0042). и Программа стипендий Министерства обороны по науке и технике для аспирантов.
