
Een studie van aluminium nanokatalysatoren door Rice University’s Laboratory for Nanophotonics wees uit dat octopods (links), zeszijdige deeltjes met scherp gepunte hoeken, een reactiesnelheid hadden die vijf keer hoger was dan die van nanocubes (midden) en 10 keer hoger dan 14-zijdige nanokristallen. Krediet: Lin Yuan / Rice University
Punten zijn van belang bij het ontwerpen van nanodeeltjes die belangrijke chemische reacties stimuleren met behulp van de kracht van licht.
Onderzoekers van het Laboratory for Nanophotonics (LANP) van Rice University weten al lang dat de vorm van een nanodeeltje invloed heeft op de wisselwerking met licht, en hun laatste studie laat zien hoe vorm het vermogen van een deeltje beïnvloedt om licht te gebruiken om belangrijke chemische reacties te katalyseren.
In een vergelijkende studie bestudeerden LANP-studenten Lin Yuan en Minhan Lou en hun collega’s aluminium nanodeeltjes met identieke optische eigenschappen maar met verschillende vormen. De meest ronde had 14 zijden en 24 stompe punten. Een andere was kubusvormig, met zes zijden en acht hoeken van 90 graden. De derde, die het team “octopod” noemde, had ook zes zijden, maar elk van de acht hoeken eindigde in een spitse punt.
Alle drie de varianten hebben het vermogen om energie uit licht op te vangen en periodiek af te geven in de vorm van super-energetische hete elektronen die katalytische reacties kunnen versnellen. Yuan, een chemicus in de onderzoeksgroep van LANP-directeur Naomi Halas, voerde experimenten uit om te zien hoe goed elk van de deeltjes presteerde als fotokatalysator voor de waterstof-dissociatiereactie. Uit de tests bleek dat octopoden een 10 keer hogere reactiesnelheid hadden dan de 14-zijdige nanokristallen en vijf keer hoger dan de nanokubussen. Octopods hadden ook een lagere schijnbare activeringsenergie, ongeveer 45% lager dan nanocubes en 49% lager dan nanokristallen.
“De experimenten toonden aan dat scherpere hoeken de efficiëntie verhoogden”, zegt Yuan, co-hoofdauteur van de studie, die is gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society. ACS Nano. “Voor de octopoden is de hoek van de hoeken ongeveer 60 graden, vergeleken met 90 graden voor de kubussen en meer afgeronde punten op de nanokristallen. Dus hoe kleiner de hoek, hoe groter de toename van de reactie-efficiëntie. Maar hoe klein de hoek kan zijn. be wordt beperkt door chemische synthese. Dit zijn eenkristallen die de voorkeur geven aan bepaalde structuren. Je kunt niet oneindig meer scherpte maken. “
Lou, een fysicus en co-hoofdauteur van de studie in de onderzoeksgroep van LANP’s Peter Nordlander, verifieerde de resultaten van de katalytische experimenten door een theoretisch model te ontwikkelen van het hete elektronen-energieoverdrachtsproces tussen de door licht geactiveerde aluminium nanodeeltjes en waterstofmoleculen.
“We voeren de golflengte van het licht en de deeltjesvorm in”, zei Lou. “Met behulp van deze twee aspecten kunnen we nauwkeurig voorspellen welke vorm de beste katalysator zal opleveren.”
Het werk maakt deel uit van een voortdurende groene chemie-inspanning van LANP om commercieel levensvatbare, door licht geactiveerde nanokatalysatoren te ontwikkelen die met chirurgische precisie energie kunnen inbrengen in chemische reacties. LANP heeft eerder katalysatoren gedemonstreerd voor de productie van ethyleen en syngas, de splitsing van ammoniak om waterstof als brandstof te produceren en voor het afbreken van “forever chemicaliën”.
“Deze studie toont aan dat de vorm van de fotokatalysator een ander ontwerpelement is dat ingenieurs kunnen gebruiken om fotokatalysatoren te maken met hogere reactiesnelheden en lagere activeringsbarrières”, zegt Halas, Rice’s Stanley C. Moore hoogleraar Electrical and Computer Engineering, directeur van Rice’s Smalley-Curl Institute. en een professor in scheikunde, bio-engineering, natuurkunde en astronomie, en materiaalkunde en nanoengineering.
Lin Yuan et al, morfologie-afhankelijke reactiviteit van een plasmonische fotokatalysator, ACS Nano (2020). DOI: 10.1021 / acsnano.0c05383
ACS Nano
Geleverd door Rice University