Forskere udforsker energibesparende katalysatorer, der fungerer ved stuetemperatur

NIST-forskere har udforsket i hidtil uset detaljer en ny race af katalysatorer, der tillader nogle kemiske reaktioner, som normalt kræver høj varme, for at fortsætte ved stuetemperatur. De energibesparende katalysatorer bruger sollys eller en anden lyskilde til at excitere lokaliserede overfladeplasmoner (LSP'er) - oscillationer af grupper af elektroner på overfladen af ​​visse metalnanopartikler, såsom guld, sølv og aluminium. Energien afledt af LSP-oscillationerne driver kemiske reaktioner blandt molekyler, der klæber til nanopartiklerne.

Forskere havde tidligere vist, at molekylært brint kan opdeles i dets individuelle atomer af den energi, der genereres af LSP-oscillationerne. NIST-holdet har nu opdaget en anden LSP-medieret reaktion, der fortsætter ved stuetemperatur. I denne reaktion, LSP'er ophidset i guld nanopartikler omdanner to molekyler af kulilte til kulstof og kuldioxid. Reaktionen, som normalt kræver en minimumstemperatur på 400 grader C. spiller en vigtig rolle i at omdanne kulilte til udbredte kulstofbaserede materialer såsom kulstofnanorør og grafit.

At sondere nanopartiklerne med en elektronstråle og kombinere dataene med simuleringer, NIST-forskerne udpegede stederne på guldnanopartiklerne, hvor reaktionerne fandt sted. De målte også intensiteten af ​​LSP'erne og kortlagde, hvordan energien forbundet med svingningerne varierede fra sted til sted inde i nanopartiklerne. Målingerne er nøgletrin i forståelsen af ​​LSP'ers rolle for at starte reaktioner ved stuetemperatur, afbøde behovet for at opvarme prøverne.

Wei-Chang Yang fra NIST og University of Maryland NanoCenter, sammen med Henri Lezec og Renu Sharma og andre samarbejdspartnere, beskrive deres arbejde i den 15. april Naturmaterialer .

Forskerne stolede på aflejringer af faste kulstofaflejringer - et af produkterne fra kulilte-reaktionen, de studerede - som markører for de nøjagtige placeringer på guldnanopartiklerne, hvor reaktionen fandt sted. Holdet fandt ud af, at reaktionen koncentrerede sig ved skæringspunktet, hvor kuliltegasmolekylerne fortrinsvis klæber til guldnanopartiklerne, og hvor amplituden af ​​det elektriske felt forbundet med LSP'erne var højest. Selvom mange LSP'er kan ophidse med sollys, holdet valgte en elektronstråle til at udløse oscillationerne og studerede kulilte-reaktionen i et scanningstransmissionselektronmikroskop, der kan fungere i et miljø med stuetemperatur.

Fundene, siger Sharma, lægge grundlaget for at søge efter andre systemer, der direkte udnytter sollys til at generere LSP'er i nanopartikler til at drive kemiske reaktioner ved stuetemperatur. Ved at reducere energiforbruget, sådanne systemer kan have en enorm indvirkning på industrien og miljøet.