Spidse spidser på aluminium blæksprutter øger den katalytiske reaktivitet

Points betyder noget, når man designer nanopartikler, der driver vigtige kemiske reaktioner ved hjælp af lysets kraft.

Forskere ved Rice University's Laboratory for Nanophotonics (LANP) har længe vidst, at en nanopartikels form påvirker, hvordan den interagerer med lys, og deres seneste undersøgelse viser, hvordan form påvirker en partikels evne til at bruge lys til at katalysere vigtige kemiske reaktioner.

I en sammenlignende undersøgelse, LANP kandidatstuderende Lin Yuan og Minhan Lou og deres kolleger studerede aluminiumsnanopartikler med identiske optiske egenskaber, men forskellige former. Den mest afrundede havde 14 sider og 24 stumpe point. En anden var terningformet, med seks sider og otte 90-graders hjørner. Den tredje, som holdet kaldte "octopod, " havde også seks sider, men hvert af dets otte hjørner endte i en spids spids.

Alle tre varianter har evnen til at fange energi fra lys og frigive det periodisk i form af superenergiske varme elektroner, der kan fremskynde katalytiske reaktioner. Yuan, en kemiker i forskningsgruppen af ​​LANP-direktør Naomi Halas, udførte eksperimenter for at se, hvor godt hver af partiklerne fungerede som fotokatalysatorer for hydrogendissociationsreaktion. Testene viste, at blæksprutter havde en 10 gange højere reaktionshastighed end de 14-sidede nanokrystaller og fem gange højere end nanokuberne. Octopoder havde også en lavere tilsyneladende aktiveringsenergi, omkring 45 % lavere end nanokuber og 49 % lavere end nanokrystaller.

"Eksperimenterne viste, at skarpere hjørner øgede effektiviteten, " sagde Yuan, medforfatter af undersøgelsen, som er publiceret i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano. "For blæksprutterne, vinklen på hjørnerne er omkring 60 grader, sammenlignet med 90 grader for kuberne og mere afrundede punkter på nanokrystallerne. Så jo mindre vinkel, jo større er stigningen i reaktionseffektivitet. Men hvor lille vinklen kan være, er begrænset af kemisk syntese. Disse er enkeltkrystaller, der foretrækker visse strukturer. Du kan ikke lave uendeligt meget mere skarphed."

Lou, en fysiker og studieleder i forskningsgruppen for LANP's Peter Nordlander, verificerede resultaterne af de katalytiske eksperimenter ved at udvikle en teoretisk model af den varme elektronenergioverførselsproces mellem de lysaktiverede aluminiumsnanopartikler og brintmolekyler.

"Vi indtaster bølgelængden af ​​lys og partikelform, " sagde Lou. "Ved at bruge disse to aspekter, vi kan præcist forudsige, hvilken form der vil producere den bedste katalysator."

Arbejdet er en del af en igangværende grøn kemi-indsats fra LANP for at udvikle kommercielt levedygtige lysaktiverede nanokatalysatorer, der kan indsætte energi i kemiske reaktioner med kirurgisk præcision. LANP har tidligere demonstreret katalysatorer til ethylen- og syngasproduktion, spaltningen af ​​ammoniak for at producere brintbrændstof og for at nedbryde "for evigt kemikalier".

"Denne undersøgelse viser, at fotokatalysatorform er et andet designelement, som ingeniører kan bruge til at skabe fotokatalysatorer med de højere reaktionshastigheder og lavere aktiveringsbarrierer, " sagde Halas, Rice's Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik, direktør for Rice's Smalley-Curl Institute og professor i kemi, bioingeniør, fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoteknik.