Pulserende lasere i væsker fremskynder jagten på effektive katalysatorer

Kemiske katalysatorer er forandringsagenterne bag produktionen af ​​næsten alt, hvad vi bruger i vores daglige liv, fra plastik til receptpligtig medicin. Når de rigtige katalysatorer blandes med de rigtige kemiske forbindelser, molekyler, der ellers ville tage år at interagere, gør det på få sekunder.

Imidlertid, at udvikle selv et katalysatormateriale til at udløse denne præcise koreografi af atomer kan tage måneder, selv år, ved brug af traditionelle vådkemiprocedurer, der kun bruger kemiske reaktioner, ofte i flydende fase, at dyrke nanopartikler.

University of Rochester forskere siger, at der er en måde at forkorte denne proces dramatisk - ved i stedet at bruge pulserende lasere i væsker til hurtigt at skabe omhyggeligt afstemte, systematiske arrays af nanopartikler, der let kan sammenlignes og testes til brug som katalysatorer.

Processen er beskrevet i en Kemiske anmeldelser artikel af Astrid Müller, en assisterende professor i kemiteknik ved University of Rochester, som har tilpasset teknikken til sit arbejde med bæredygtige energiløsninger. Tre ph.d. studerende i hendes laboratorium - medforfattere Ryland Forsythe, Connor Cox, og Madeleine Wilsey - udførte en udtømmende gennemgang af næsten 600 tidligere artikler, der involverede brugen af ​​pulserende lasere i væsker. Som resultat, deres artikel er den mest omfattende, opdateret undersøgelse af en teknologi, der først blev udviklet i 1987.

Pulserende lasere i væsker et 'uundværligt værktøj' til at opdage katalysatorer

Så hvordan fungerer pulseret laser-i-væske syntese?

• En pulserende laser er rettet mod et fast materiale nedsænket i væske. Dette skaber en høj temperatur, højtryksplasma nær overfladen af ​​det faste stof.
• Når plasmaet henfalder, det fordamper molekyler i den omgivende væske, fører til en kavitationsboble. inde i boblen, kemiske reaktioner begynder at forekomme mellem partikler fra væsken og partikler, der blev ableret, eller slået løs, fra det faste stof.
• Efter periodiske udvidelser og sammentrækninger, kavitationsboblen imploderer voldsomt, forårsager chokbølger og hurtig afkøling. Nanopartikler fra boblen kondenserer i små klynger, der sprøjtes ind i den omgivende væske og bliver stabile.

Pulserende laser-i-væske-teknikken tilbyder flere fordele i forhold til traditionel våd-lab-syntese af nanomaterialer. Ifølge Müller:

• Fordi reaktionerne primært er begrænset i kavitationsboblen, de resulterende nanopartikler har bemærkelsesværdigt ensartede egenskaber. "Hver partikel, der er lavet, er skabt under de samme betingelser, " hun siger.
• Nanopartiklernes egenskaber kan let finjusteres ved at justere laserimpulserne og de kemiske sammensætninger af den faste og omgivende væske.
• Laserfremstillede nanokatalysatorer er i sig selv mere aktive end dem, der opnås ved vådkemimetoder.
• Metastabile nanomaterialer med ikke-ligevægtsstrukturer og sammensætninger kan nemt fremstilles. Sådanne materialer kan ikke fremstilles under moderate temperaturer og tryk.
• Lasersyntese kan fjernstyres, øge potentialet for store industrielle applikationer.

Pulserende laser-i-væske syntese af nanomaterialer er også langt hurtigere end traditionelle metoder. Teknikken kan forberede bulkmængder af en nanopartikel på en time eller mindre. Systematiske arrays af 70 materialer kan laves på en uge.

"Disse fordele gør dette til et uundværligt værktøj til opdagelse, siger Müller, hvis baggrund omfatter arbejde med lasere, materialer, og elektrokatalyse. "Man har ofte folk, der kender lasere og materialer, eller måske elektrokatalyse og materialer, men man får meget sjældent nogen med ekspertise i alle tre.«

Hun siger, "Det er det, der tvang os til at skrive dette papir, fordi Müller-gruppen kan samle perspektiverne for alle tre felter."

Hvordan katalysatorer kan bekæmpe klimaændringer

Mens han arbejdede som stabsforsker hos Caltech, Müller var banebrydende for en tilpasning af laser-i-væske-teknikken til at fremstille uædle vandspalende elektrokatalysatorer, der frigør ilt fra vand for at producere rent brint. I Rochester, Müller-gruppen udvider sin ekspertise til at studere laserfremstillede elektrokatalysatorer som en måde at omdanne klimaskadende kuldioxid (CO) ₂ ) ind i et lukket kredsløb af nyttige flydende brændstoffer, såsom methanol eller ethanol.

"Hvis du skulle brænde disse brændstoffer igen, du laver CO ₂ igen, så du går rundt og rundt. Kulstoffet forbliver altid i kredsløbet, og bidrager ikke til flere klimaændringer, " siger Müller. "For at det skal fungere, har vi brug for katalysatorer, og ingen ved endnu, hvad disse katalysatorer ville være - hvad ville virke og hvorfor, og hvorfor andre katalysatorer ikke virker."

Derfor hendes interesse for at bruge pulseret laser-i-væske syntese til at accelerere processen. "Det er enormt vigtigt, fordi vi ikke bare kan sidde og håbe på det bedste med klimaændringer; vi skal arbejde på efterfølgerteknologier nu, " hun siger.

Indtil nu, pulsed-laser-in-liquid syntese har kun haft begrænset kommerciel anvendelse. Opstartsomkostningerne ved at investere i laserteknologi er en stopklods for mange virksomheder, siger Müller. "Men det vil ændre sig, efterhånden som denne metode får mere og mere trækkraft, " hun tror.

Takket være Müllers laboratorium, pulsed-laser-in-liquids-syntese får helt sikkert mere opmærksomhed. Inden for tre uger, deres papir var blevet sin egen katalysator ved at blive downloadet mere end 1, 500 gange.