Udnyttelse af lys til at drive kemiske reaktioner

En eksotisk interaktion mellem lys og metal kan udnyttes til at gøre kemiske reaktioner mere bæredygtige, men fysikken bag har været meget debatteret på området.

Nu, en undersøgelse fra University of Michigan har vist, hvordan et lys-høstende metal overfører energi til et katalytisk metal, åbner vejen for bedre katalysatordesign.

Katalysatorer er mediatorer af kemiske reaktioner:de kan få reaktioner til at ske ved lavere temperaturer, reducere den nødvendige energi, og de kan også give en fordel til en ønsket reaktionsvej, producerer mere af målkemikaliet og mindre affald.

En ny slags katalysator kan laves af såkaldte plasmoniske metaller, der er gode til at fange lyset, men de er ikke fantastiske til at vejlede reaktioner. For at forbedre deres effektivitet, forskere har peppet dem med materialer, der er bedre katalysatorer, forbedring af reaktioner relateret til brændstofproduktion og almindelige husholdningsprodukter som tandpasta, for eksempel.

"Vanskeligheden med tidligere eksperimenter var, at der var mange forskellige udsatte overflader, så det bliver meget svært at fortolke dine resultater på grund af kompleksiteten af ​​nanopartiklerne, " sagde Umar Aslam, U-M doktorand i kemiteknik,

Nu, Aslam og hans kolleger i forskergruppen af ​​Suljo Linic, en professor i kemiteknik og en pioner inden for plasmonisk katalyse, har vist, hvordan energien bevæger sig. I stedet for at energiske elektroner hopper fra lysfangeren til katalysatoren, det plasmoniske metal fungerer mere som en radioantenne, med katalysatoren som modtager, sagde Aslam.

Deres eksperiment, offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi , var den første, der overbevisende viste, at denne mekanisme virker.

"Vi beskrev, hvordan plasmoniske nanostrukturer flytter lysets energi til de katalytisk aktive steder, " sagde Linic. "Vi demonstrerede derefter, hvordan denne mekanisme kan udnyttes til at designe meget effektive og selektive katalysatorer."

Selektivitet er værdsat, fordi det reducerer de uønskede "sidereaktioner", der producerer affald.

Kobber, sølv og guld er kendt for deres plasmoniske egenskaber, eller deres evne til at fange energien af ​​synligt lys i form af bølger i deres overfladeelektroner, kaldet overfladeplasmoner.

I forsøget Aslam og Steven Chavez, også en doktorand i kemiteknik, produceret sølv nanokuber, omkring 75 nanometer (milliontedele af en centimeter) til en side. De har derefter belagt disse med platin på kun en nanometer tyk.

Metal, der er tyndt, er i det væsentlige gennemsigtigt for lys, så det belagte sølv fortsatte med at forvandle lyset til overfladeplasmoner. Sølvet ledede derefter energien til platinbelægningen gennem havet af elektroner, der blev delt mellem dem. Platinet producerede energiske elektroner og positivt ladede huller - ladningsbærere, der derefter kunne forårsage kemiske reaktioner på overfladen.

Platin anses for at være "kejseren af ​​alle katalysatorer, "hvilket gør dette materiale til et oplagt valg for forskere, der er interesseret i plasmonisk katalyse, sagde Aslam.

Alligevel havde ingen været i stand til at gøre det før, fordi det er meget svært at lokke en tynd film af platin til sølv. Under de fleste forhold, sølvet har en tendens til at plette, sagde Aslam. Så han og Chavez tilpassede reaktionsbetingelserne, så platinbelægningen skete meget hurtigere end anløbningen.

Gruppen demonstrerede, at katalysatoren næsten fordoblede den hastighed, hvormed kulilteforurenende stoffer i brint blev til kuldioxid, når lyset var tændt - sammenlignet med reaktionen i mørke, som er afhængig af platin alene. Denne omdannelse er vigtig i produktionen af ​​brint fra metan, efterhånden som overskydende kulilte skyller op i katalysatorerne i brintbrændselsceller.

De viste, at hverken sølvnanokuberne alene - eller de kubiske platinskaller, der var tilbage, når sølvet blev fjernet med syre - kunne fungere som de platinbelagte terninger. Stadig, Linic og Aslam advarer om, at disse nye katalysatorer endnu ikke er varslere om en revolution inden for industriel kemi.

"Lige nu, plasmonisk katalyse er et begyndende felt, "Aslam sagde. "Det koster mere at fremstille en katalysator som denne sammenlignet med konventionelle katalysatorer."

Men med fortsatte fremskridt inden for nanopartikelsyntese og ideer til yderligere at forbedre effektivitetsgevinsterne fra plasmoniske katalysatorer, de kan gøre den kemiske industri grønnere i fremtiden.

Undersøgelsen har titlen "Kontrol af energiflow i multimetalliske nanostrukturer til plasmonisk katalyse."