Varme elektroner gør det umulige i katalytisk kemi

(Phys.org) – Fra petroleumsraffinering til fødevareforarbejdning, langt de fleste kommercielle kemiske anvendelser involverer katalysatorer til at kontrollere hastigheden af ​​kemiske reaktioner. Alt, hvad der kan øge effektiviteten af ​​katalysatorer, kan have en udbredt indvirkning på disse områder. I en ny undersøgelse, videnskabsmænd har vist, at en effektivitetsforbedring kan være mulig ved at skabe "varme" elektroner (dem med meget høj energi) fra en metaloverflade, hvorpå den kemiske reaktion finder sted. og bruge elektronerne til at styre den kemiske reaktion og gøre den mere effektiv.

Forskerne, ledet af professorerne Peter Nordlander og Naomi J. Halas fra Rice University i Houston, Texas, og professor Emily A. Carter fra Princeton University, New Jersey, har offentliggjort deres undersøgelse af teknikken til at forbedre katalytisk kemi i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

I deres metode, forskerne brugte en laser med synligt lys til at belyse en guld nanopartikeloverflade (katalysatoroverfladen) ved stuetemperatur. Det indkommende laserlys exciterer optisk overfladeplasmoner på metaloverfladen, og plasmonerne henfalder derefter til varme elektroner. På grund af deres høje energier, de varme elektroner strækker sig længere væk fra nanopartiklerne, end elektroner med lavere energi gør. Hvis et andet atom eller molekyle, der kan acceptere elektronen, er i nærheden, den varme elektron kan overføres til denne acceptors elektroniske tilstande.

I disse forsøg, forskerne adsorberede H ₂ molekyler på guld nanopartikeloverfladen, en procedure, der almindeligvis udføres i heterogen katalyse, hvor de adsorberede molekyler fungerer som reaktanter. Forskerne fandt, som hovedresultatet af deres undersøgelse, at nogle af de varme elektroner kunne overføres til de lukkede skaller af H ₂ molekyler og får de to brintatomer til at adskilles, eller adskille. denne proces, kaldet "plasmoninduceret dissociation af H ₂ på Au, " kunne forbedre effektiviteten af ​​visse kemiske reaktioner.

"I mange vigtige kemiske reaktioner, det hastighedsbegrænsende trin er dissocieringen af ​​lukkede skalmolekyler som et brintmolekyle, " fortalte Nordlander Phys.org . "Hvis dette reaktionstrin kan 'behandles' (ved hjælp af vores demonstrerede varmeelektronproces), reaktionen kan forløbe meget hurtigere og kræve mindre energi."

For at måle dissociationen, forskerne udsatte nanopartikelsubstratet for både H ₂ og D ₂ (to atomer af deuterium, en brintisotop indeholdende én neutron). Hvis de varme elektroner dissocierede disse molekyler, det ville resultere i dannelsen af ​​HD-molekyler. Forskerne fandt ud af, at så snart de tændte laseren, hastigheden af ​​HD-dannelse på nanopartikeloverfladen steg med en faktor 6. De målte også, at hastigheden var stærkt afhængig af koncentrationen og størrelsen af ​​guldnanopartiklerne. Forskerne forklarede, at i en vis forstand, elektronerne "gør det umulige", fordi der ikke ville være nogen dissociation uden dem.

"Et brintmolekyle adsorberet på en makroskopisk guldoverflade dissocierer ikke spontant, selv ved høje temperaturer, " sagde Nordlander. "Det er en umulig kemisk reaktion. Energien til dissociation er simpelthen for stor. Vi valgte brint-guld-systemet præcis af denne grund. Vi ønskede et system, hvor fortolkningen af ​​effekten var ligetil. På andre metaller, som overgangsmetaller, et brintmolekyle kan dissociere spontant, især nær defekter og ved høje temperaturer. Men ikke på guld."

Disse resultater viser, hvordan området plasmonik - som involverer interaktioner mellem fotoner og nanostrukturer - kan have anvendelser inden for katalytisk kemi, især fotokatalyse, Forskerne håber, at denne demonstration af evnen til at kontrollere kemiske reaktioner ved hjælp af lys kan udvides til specifikke formål. Ved at bruge laserfrekvensen til at tune overfladeplasmonresonanserne, det kan være muligt at skabe varme elektroner med specifikke energier, der befolker specifikke elektroniske tilstande af molekyler adsorberet på nanopartikeloverfladen.

"Den umiddelbare anvendelse er at forbedre effektiviteten af ​​metalliske katalysatorer ved at belyse dem med lys, " sagde Nordlander. "Vores grupper har en meget 'grøn dagsorden', og vores hensigt er at designe nye typer katalysatorer, der drives af sollys. Det er noget, vi har en overflod af her i Houston.

"En anden vigtig anvendelse er at undersøge, i hvilket omfang vi kan styre og kontrollere kemiske reaktioner ved at lade varme elektroner af bestemte energier overføre til specifikke molekylære orbitaler. Dette er et relativt uudforsket forskningsemne. Normale elektroner har positive energier og er meget 'varmere' end vores varme elektroner. Sådanne højenergielektroner bliver typisk ikke på et molekyle tilstrækkelig længe til, at atomerne begynder at bevæge sig."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.