Et frisk pust i plasmonisk katalyse:Sort guld og renæssance af sollys

Prof. Polshettiwars gruppe ved Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai, har udviklet en ny "plasmonisk reduktionskatalysator stabil i luft", der trodser den almindelige ustabilitet af reduktionskatalysatorer i nærvær af luft. Katalysatoren fusionerer platin-doterede rutheniumklynger med "plasmonisk sort guld." Dette sorte guld høster effektivt synligt lys og genererer adskillige hot spots på grund af plasmonisk kobling, hvilket forbedrer dets katalytiske ydeevne.

Holdet beskriver deres arbejde i et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Det, der adskiller denne katalysator, er dens bemærkelsesværdige ydeevne i semi-hydrogenering af acetylen, en vigtig industriel proces. I nærvær af overskydende ethen og kun ved brug af synligt lys uden ekstern opvarmning opnåede katalysatoren en ethenproduktionshastighed på 320 mmol g ⁻¹ h ⁻¹ med omkring 90 % selektivitet. Denne effektivitet overgår alle kendte plasmoniske og traditionelle termiske katalysatorer.

Overraskende nok udviser denne katalysator kun sin bedste ydeevne, når luft indføres ved siden af ​​reaktanterne. Dette unikke krav fører til hidtil uset stabilitet i mindst 100 timer. Forskerne tilskriver dette plasmon-medieret samtidige reduktions- og oxidationsprocesser på de aktive steder under reaktionen.

For yderligere at forbedre vores forståelse af denne katalysator, afslørede finite-difference time-domain (FDTD) simuleringer en femdobling af det elektriske felt sammenlignet med uberørt DPC. Denne feltforbedring, på grund af nærfeltskoblingen mellem RuPt-nanopartiklerne og DPC, spiller en afgørende rolle i aktiveringen af ​​kemiske bindinger. Katalysatorens effektivitet er også tydelig i dens kinetiske isotopeffekt (KIE), som er større under lys end i mørke ved alle temperaturer.

Dette indikerer den væsentlige rolle af ikke-termiske effekter sammen med fototermisk aktivering af reaktanterne. Dybdegående in-situ DRIFTS- og DFT-undersøgelser gav indsigt i reaktionsmekanismen over oxidoverfladen, hvilket især fremhævede mellemprodukternes rolle i selektivitet. Den delvist oxiderede RuPt-katalysatoroverflade genererer di-σ-bundet acetylen, som derefter transformeres gennem flere trin for at producere ethen.

Denne forskning markerer den første rapport om en meget effektiv, luftstabiliseret og plasmonisk aktiveret katalysator til acetylen semi-hydrogenering, med potentielle anvendelser i en række andre reduktionsreaktioner. Resultaterne giver væsentlige bidrag til forståelsen af ​​plasmonisk katalyse og baner vejen for udvikling af bæredygtige og energieffektive katalytiske systemer.

Flere oplysninger: Gunjan Sharma et al., Pt-doterede Ru nanopartikler påfyldt 'sort guld' plasmoniske nanoreaktorer som luftstabile reduktionskatalysatorer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44954-4

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Tata Institute of Fundamental Research