Aluminiumsnanopartikler laver afstembare grønne katalysatorer

Katalysatorer låser veje for kemiske reaktioner til at udfolde sig i hurtigere og mere effektive hastigheder, og udviklingen af ​​nye katalytiske teknologier er en kritisk del af den grønne energiomstilling.

Rice University-laboratoriet for nanoteknologi-pioneren Naomi Halas har afsløret en transformativ tilgang til at udnytte den katalytiske kraft af aluminium-nanopartikler ved at udgløde dem i forskellige gasatmosfærer ved høje temperaturer.

Ifølge en undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , viste risforskere og samarbejdspartnere, at ændring af strukturen af ​​det oxidlag, der dækker partiklerne, ændrer deres katalytiske egenskaber, hvilket gør dem til et alsidigt værktøj, der kan skræddersyes til at passe til behovene i forskellige brugskontekster fra produktion af bæredygtige brændstoffer til vand. baseret reaktioner.

"Aluminium er et jordrigt metal, der bruges i mange strukturelle og teknologiske anvendelser," sagde Aaron Bayles, en Rice-doktoralun, som er hovedforfatter på papiret. "Alt aluminium er belagt med en overfladeoxid, og indtil nu vidste vi ikke, hvad strukturen af ​​dette native oxidlag på nanopartiklerne var. Dette har været en begrænsende faktor, der forhindrer den udbredte anvendelse af aluminiumnanopartikler."

Aluminiumsnanopartikler absorberer og spreder lys med bemærkelsesværdig effektivitet på grund af overfladeplasmonresonans, et fænomen, der beskriver den kollektive oscillation af elektroner på metaloverfladen som reaktion på lys med specifikke bølgelængder. Ligesom andre plasmoniske nanopartikler kan nanokrystalkernen af ​​aluminium fungere som en optisk antenne i nanoskala, hvilket gør den til en lovende katalysator for lysbaserede reaktioner.

"Næsten alle kemikalier, hver plast, som vi bruger til daglig, kom fra en katalytisk proces, og mange af disse katalytiske processer er afhængige af ædle metaller som platin, rhodium, ruthenium og andre," sagde Bayles. P>

"Vores ultimative mål er at revolutionere katalyse, hvilket gør det mere tilgængeligt, effektivt og miljøvenligt," sagde Halas, som er universitetsprofessor, Rices højeste akademiske rang. "Ved at udnytte potentialet i plasmonisk fotokatalyse baner vi vejen for en lysere og mere bæredygtig fremtid."

Halas-gruppen har udviklet aluminiumsnanopartikler til plasmoniske fotokatalysereaktioner, såsom nedbrydning af farlige kemiske krigsførende midler og effektiv produktion af råvarekemikalier. Den nyligt afslørede evne til at modificere overfladeoxiderne på aluminiumsnanopartikler øger deres alsidighed yderligere til brug som katalysatorer til effektivt at omdanne lys til kemisk energi.

"Hvis du laver en katalytisk reaktion, vil molekylerne af det stof, du ønsker at transformere, interagere med aluminiumoxidlaget snarere end med aluminiummetalkernen, men den metalliske nanokrystalkerne er unikt i stand til at absorbere lys meget effektivt og omdanne det til energi, mens oxidlaget opfylder rollen som en reaktor og overfører den energi til reaktantmolekyler," sagde Bayles.

Egenskaberne ved nanopartiklernes oxidbelægning bestemmer, hvordan de interagerer med andre molekyler eller materialer. Undersøgelsen belyser strukturen af ​​dette native oxidlag på aluminiumsnanopartikler og viser, at simple termiske behandlinger – dvs. opvarmning af partiklerne til temperaturer på op til 500 grader Celsius (932 Fahrenheit) i forskellige gasser – kan ændre dens struktur.

"Den krystallinske fase, intrapartikelstammen og defektdensiteten kan alle modificeres ved denne ligetil tilgang," sagde Bayles. "I begyndelsen var jeg overbevist om, at de termiske behandlinger ikke gjorde noget, men resultaterne overraskede mig."

En af effekterne af de termiske behandlinger var at gøre aluminiumsnanopartiklerne bedre til at lette omdannelsen af ​​kuldioxid til kulilte og vand.

"At ændre aluminiumoxidlaget på denne måde påvirker dets katalytiske egenskaber, især for lysdrevet kuldioxidreduktion, hvilket betyder, at nanopartiklerne kan være nyttige til at producere bæredygtige brændstoffer," sagde Bayles, som nu er postdoktor ved National Renewable Energy Laboratory .

Bayles tilføjede, at evnen "til at bruge rigeligt aluminium i stedet for ædle metaller kan have stor betydning for at bekæmpe klimaændringer og åbner vejen for, at andre materialer kan forbedres på samme måde."

"Det var relativt nemt at udføre disse behandlinger og få store ændringer i katalytisk adfærd, hvilket er overraskende, fordi aluminiumoxid er berømt ikke reaktivt; det er meget stabilt," sagde Bayles. "Så for noget, der er en smule mere reaktivt, som titaniumoxid eller kobberoxid, kan du måske se endnu større effekter."

Flere oplysninger: Aaron Bayles et al., Skræddersy af aluminiums nanokrystaloverfladeoxid til aluminumbaserede antenne-reaktor plasmoniske fotokatalysatorer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2321852121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Rice University