Gepulseerde lasers in vloeistoffen versnellen de jacht op effectieve katalysatoren

Chemische katalysatoren zijn de veranderingsagenten achter de productie van zowat alles wat we in ons dagelijks leven gebruiken, van plastic tot geneesmiddelen op recept. Wanneer de juiste katalysatoren worden gemengd met de juiste chemische verbindingen, doen moleculen die anders jaren zouden duren om op elkaar in te werken, dit in slechts enkele seconden.

Het ontwikkelen van zelfs maar één katalysatormateriaal om deze precieze choreografie van atomen op gang te brengen, kan echter maanden, zelfs jaren duren, wanneer traditionele natchemische procedures worden gebruikt die alleen chemische reacties gebruiken, vaak in de vloeibare fase, om nanodeeltjes te laten groeien.

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester zeggen dat er een manier is om dat proces drastisch te verkorten – door in plaats daarvan gepulseerde lasers in vloeistoffen te gebruiken om snel zorgvuldig afgestemde, systematische arrays van nanodeeltjes te creëren die gemakkelijk kunnen worden vergeleken en getest voor gebruik als katalysatoren.

Het proces wordt beschreven in a Chemische beoordelingen artikel van Astrid Müller, een assistent-professor chemische technologie aan de Universiteit van Rochester, die de techniek heeft aangepast voor haar werk aan duurzame energieoplossingen. Drie Ph.D. studenten in haar laboratorium – coauteurs Ryland Forsythe, Connor Cox en Madeleine Wilsey – voerden een uitgebreide beoordeling uit van bijna 600 eerdere artikelen over het gebruik van gepulseerde lasers in vloeistoffen. Als gevolg hiervan is hun artikel het meest uitgebreide, actuele overzicht van een technologie die voor het eerst werd ontwikkeld in 1987.

Pulserende lasers in vloeistoffen een ‘onmisbaar hulpmiddel’ voor het ontdekken van katalysatoren

Dus hoe werkt pulsed-laser-in-liquid synthese?

• Een gepulste laser wordt gericht op een vast materiaal dat in vloeistof is ondergedompeld. Dit creëert een plasma met hoge temperatuur en hoge druk nabij het oppervlak van de vaste stof.
• Terwijl het plasma vervalt, verdampt het moleculen in de omringende vloeistof, wat leidt tot een cavitatiebel. Binnen de bel beginnen chemische reacties op te treden tussen deeltjes uit de vloeistof en deeltjes die uit de vaste stof zijn verwijderd of losgeslagen.
• Na periodieke uitzettingen en samentrekkingen implodeert de cavitatiebel met geweld, wat schokgolven en snelle afkoeling veroorzaakt. Nanodeeltjes uit de bel condenseren in kleine clusters die in de omringende vloeistof worden geïnjecteerd en stabiel worden.

De pulsed-laser-in-liquids-techniek biedt meerdere voordelen ten opzichte van de traditionele wet-lab-synthese van nanomaterialen. Volgens Muller:

• Omdat de reacties zich voornamelijk binnen de cavitatiebel bevinden, hebben de resulterende nanodeeltjes opmerkelijk uniforme eigenschappen. “Elk deeltje dat gemaakt wordt, ontstaat onder dezelfde omstandigheden,” ze zegt.
• De eigenschappen van de nanodeeltjes kunnen eenvoudig worden verfijnd door de laserpulsen en de chemische samenstelling van de vaste stof en de omringende vloeistof aan te passen.
• Door laser gemaakte nanokatalysatoren zijn intrinsiek actiever dan die welke worden verkregen met natte-chemische methoden.
• Metastabiele nanomaterialen met niet-evenwichtsstructuren en samenstellingen kunnen gemakkelijk worden geproduceerd. Dergelijke materialen kunnen niet worden gemaakt bij matige temperaturen en drukken.
• Lasersynthese kan op afstand worden bestuurd, waardoor het potentieel voor grootschalige industriële toepassingen wordt vergroot.

Pulsed-laser-in-liquids synthese van nanomaterialen is ook veel sneller dan traditionele methoden. De techniek kan grote hoeveelheden van een nanodeeltje in een uur of minder bereiden. Systematische arrays van 70 materialen kunnen in een week worden gemaakt.

“Deze voordelen maken dit een onmisbaar hulpmiddel voor ontdekking,” zegt Müller, wiens achtergrond werk in lasers, materialen en elektrokatalyse omvat. “Je hebt vaak mensen die kennis hebben van lasers en materialen, of misschien elektrokatalyse en materialen, maar je krijgt zelden iemand met expertise in alle drie.”

Ze zegt, “Dit dwong ons om dit artikel te schrijven, omdat de Müller-groep de perspectieven van alle drie de velden kan samenbrengen.”

Hoe katalysatoren klimaatverandering kunnen tegengaan

Terwijl hij als stafwetenschapper bij Caltech werkte, pionierde Müller met een aanpassing van de laser-in-liquids-techniek om niet-kostbare watersplitsende elektrokatalysatoren te maken die zuurstof uit water vrijmaken om schone waterstof te produceren. In Rochester breidt de Müller-groep haar expertise uit om door lasers gemaakte elektrokatalysatoren te bestuderen als een manier om klimaatschadelijke koolstofdioxide (CO₂) in een gesloten kringloop van bruikbare vloeibare brandstoffen, zoals methanol of ethanol.

“Als je deze brandstoffen opnieuw zou verbranden, maak je CO₂ weer, dus je gaat rond en rond. De koolstof blijft altijd binnen de kringloop, en draagt ​​niet bij aan meer klimaatverandering,” zegt Muller. “Om dat te laten werken hebben we katalysatoren nodig, en niemand weet nog wat die katalysatoren zouden zijn – wat zou werken en waarom, en waarom andere katalysatoren niet werken.”

Vandaar haar interesse in het gebruik van pulsed-laser-in-liquid synthese om het proces te versnellen. “Het is enorm belangrijk omdat we niet alleen maar kunnen hopen op het beste met klimaatverandering; we moeten nu werken aan nieuwe technologieën,” ze zegt.

Tot nu toe heeft pulsed-laser-in-liquid-synthese slechts beperkt commercieel gebruik gehad. De opstartkosten van het investeren in lasertechnologie vormen voor veel bedrijven een struikelblok, zegt Müller. “Maar dat zal veranderen naarmate deze methode steeds meer grip krijgt,” zij gelooft.

Dankzij het laboratorium van Müller krijgt pulsed-laser-in-liquids-synthese zeker meer aandacht. Binnen drie weken was hun krant een eigen katalysator geworden door meer dan 1500 keer te downloaden.