Een katalysator die chemische reacties met licht regelt

POSTECH en een groep onderzoekers hebben een technologie ontwikkeld die de prestaties van plasmonische fotokatalysatoren drastisch verbetert met behulp van ‘core@shell’-nanokristallen met atomair conforme metaallaminaties.

Core@shells-nanokristallen, die een structuur hebben van een kern omgeven door een schaal, kunnen de grensvlaksynergie van de kern en de schaaltegenhangers benutten, waardoor toepassingen in katalyse, elektronica en displays mogelijk worden. In het bijzonder is het oppervlak van de kernplasmonische nanodeeltjes (goud) uniform gecoat met katalytisch actieve overgangsmetalen (platina, palladium, ruthenium en rhodium) in de kern@schaalstructuren. Onder blootstelling aan licht kan het oppervlak van deze fotokatalytische hybride lichtenergie efficiënt omzetten in chemische energie.

Om een ​​efficiënt plasmonisch-katalytisch hybride systeem te vormen, is een techniek voor het coaten van een zeer dunne metalen schaal op de plasmonische kern cruciaal. Conventionele strategieën die tot nu toe zijn gerapporteerd, veroorzaken echter dikke schillen door de kernmaterialen te beschadigen of te vervormen, waardoor hun plasmonische eigenschappen aanzienlijk worden aangetast.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor In Su Lee van de afdeling Chemie van POSTECH heeft een opsluitingssysteem voor nanostructuren gefabriceerd om de factoren te elimineren die de groei van dikke schillen in conventionele technieken veroorzaakten en een systeem waarin plasmonische nanodeeltjes afzonderlijk in oplossing kunnen worden gescheiden. Hier slaagden de onderzoekers erin om, door een lichtbron te bestralen, het oppervlak van de plasmonische nanokristallen te coaten met een zeer dunne en uniforme laminering met een dikte van een atoom. Het kan op dezelfde manier worden uitgedrukt als het bekleden van het oppervlak van een pil in een capsule met een dunne film.

Deze dun gecoate metalen laminering had geen invloed op de optische eigenschappen van het kernmateriaal, en deze strategie biedt een platform om hybride fotokatalytische materialen te synthetiseren, waarbij de katalytische prestaties van de schaal en de plasmonische eigenschappen van het kernmateriaal effectief worden gecombineerd. Met name gold@platina hybride nanokristallen gecoat met een dunne platinafilm op plasmonische gouden nanostaafjes vertoonden een zeer hoge energieomzetting, resulterend in een verhoogde katalysesnelheid voor een fotokatalytische reactie, die organische moleculen omzet met behulp van nabij-infraroodlaser als energiebron zonder enig verlies in de katalytische activiteit, zelfs na herhaald gebruik. Bovendien kunnen met behulp van deze benadering verschillende oppervlaktekrommingen van plasmonische nanokristallen onafhankelijk worden gecoat en geactiveerd met behulp van verschillende lichtbronnen, zodat de activiteit van een specifieke katalysator tussen gemengde katalysatormaterialen selectief en op afstand kan worden bediend.

“Met de synthesebenadering die in deze studie is ontwikkeld, kunnen katalytisch actieve metalen dun worden gecoat op het oppervlak van verschillende soorten plasmonische nanodeeltjes op atomair niveau”, merkte professor In Su Lee op die de studie leidde. “Door synergie met de metalen schaal kan het worden gebruikt als een zeer efficiënte fotokatalysator op verschillende gebieden, waaronder duurzame energieconversie, biotechnologie en biomedische gebieden.”

Een POSTECH-onderzoeksteam onder leiding van professor In Su Lee, onderzoeksprofessor Amit Kumar en Ph.D. kandidaat Anubhab Acharya van POSTECH’s Department of Chemistry in samenwerking met professoren Junsuk Rho van POSTECH, Yoon-Kyoung Cho van UNIST en Sang Ho Oh van Sungkyunkwan University. Op basis van het unieke ‘nanospace-confined chemical reaction (NCCR)’-onderzoek dat het onderzoekscentrum bestudeert, is de verwachting dat dit onderzoek kan worden ontwikkeld tot een technologie voor het kunstmatig reguleren van de functies van cellen.

De studie werd gepubliceerd als voorblad in de Tijdschrift van de American Chemical Society