Nanoskala øer prikker lysdrevet katalysator

Individuelle nanoskala nuggets af guld, kobber, aluminium, sølv og andre metaller, der fanger lysets energi og sætter det i arbejde, bliver ansat af Rice University-forskere, der har opdaget en måde at bygge multifunktionelle nanoskalastrukturer på.

Strukturerne har en aluminiumskerne og er oversået med endnu mindre metalliske øer. Materialerne opretholder alle lokaliserede overfladeplasmonresonanser, kollektive svingninger af elektronerne inde i nanostrukturen, der aktiveres, når lys rammer partiklen.

Disse nanoskala-svingninger i elektrontæthed kan drive kemiske reaktioner og endda drive reaktionsfremmende katalysatorer.

Teknikken udviklet i laboratorier af rismaterialeforskere Emilie Ringe og Naomi Halas bruger aluminium nanokrystaller som en base for størrelsesindstillelige overgangsmetaløer, der muliggør lokaliserede overfladeplasmonresonanser. Aluminium er et effektivt plasmonisk materiale, men tilføjelse af mindre katalytiske partikler fra tre søjler i det periodiske system forbedrer strukturens evne til at fremme kemiske reaktioner drevet af lysets energi, som vist i et tidligere samarbejde mellem Halas og Ringe -grupperne.

Teknikken giver mulighed for tilpasselig overfladekemi og reaktivitet i ét materiale, sagde forskerne. Det kan være nyttigt til fotokatalyse, overfladeforstærket spektroskopi og kvanteplasmonik, studiet af lysets kvanteegenskaber og hvordan de interagerer med nanopartikler.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

Forskerne sagde, at deres generelle polyolteknik kan bruges til at kombinere flere materialer i en enkel, kontrollerbar proces.

Ris-kandidatstuderende og hovedforfatter Dayne Swearer og hans kolleger brugte en to-trins syntetisk metode, der begyndte med reduktionen af ​​en aluminiumprecursor til rensede aluminiumspartikler mellem 50 og 150 nanometer brede. De suspenderede partiklerne i ethylenglycol, tilføjede en metalsaltforløber og kogte opløsningen for at reducere de salte, der til sidst kernede og voksede til nano-øer, der dekorerede overfladen af ​​de originale aluminium nanokrystaller.

Forskerne fandt ved hjælp af et elektronmikroskop, at et 2- til 4-nanometer naturligt aluminiumoxidlag adskilte aluminiumsnanokrystallerne og de katalytiske nanoøer. Derudover i samarbejde med Rowan Leary og Paul Midgley, materialeforskere ved Cambridge University, holdet var i stand til at bruge elektrontomografi til at identificere størrelsen og placeringen af ​​mere end 500 individuelle ruthenium nano-øer på en enkelt aluminium nanokrystal.

"Den naturligt forekommende nanoskala geometri af disse nye materialer er virkelig spændende, "Swearer sagde." Fordi et tyndt lag aluminiumoxid adskiller de to materialer, vi kan uafhængigt tune deres egenskaber, så de passer til vores behov i fremtidige applikationer."

Laboratoriet brugte metoden til at dekorere aluminium nanokrystaller med jern, kobolt, nikkel, ruthenium rhodium, platin, palladium og iridium. Øerne var så små som 2 nanometer brede og så store som 15 nanometer.

Specialdesignede enheder, der kobler aluminium og plasmoniske øer, vil gøre eftertragtede reaktioner nemmere at udløse, sagde Ringe.

I 2016 holdet viste, at nanokrystaller af aluminium dekoreret med palladiumøer, lavet med en anden metode, kunne bruges til selektive hydrogeneringer, når de udsættes for lys, som ikke var mulige, når de blot blev opvarmet i mørke. "Vi håber, at med denne nye, ekspansivt bibliotek af lignende nanomaterialer, mange nye typer af tidligere utilgængelige kemiske reaktioner vil blive mulige, " sagde Swearer.

Øernes lille størrelse gør dem bedre til at absorbere lys end større nanopartikler og gør dem også bedre til at producere varme elektroner og injicere dem i målmolekyler til katalyse, han sagde.

"Syntesen kunne bruges til at lave endnu mere detaljerede kombinationer af metaller og halvledere fra det periodiske system, "Swearer sagde." Hver ny materialekombination har potentiale til at blive undersøgt til flere applikationer. "