Форма влияет на способность нанокатализатора фотокатализировать химические реакции

Форма влияет на способность нанокатализатора фотокатализировать химические реакции

Очки имеют значение при разработке наночастиц, которые запускают важные химические реакции с использованием силы света.

Исследователи из Лаборатории нанофотоники (LANP) Университета Райса давно знали, что форма наночастицы влияет на то, как она взаимодействует со светом, и их последнее исследование показывает, как форма влияет на способность частицы использовать свет для катализирования важных химических реакций.

В рамках сравнительного исследования аспиранты LANP Линь Юань и Минхан Лу и их коллеги изучали наночастицы алюминия с идентичными оптическими свойствами, но разной формы. У наиболее закругленных было 14 граней и 24 тупых острия. Другой имел форму куба с шестью сторонами и восемью углами под углом 90 градусов. У третьего, которого команда назвала «осьминог», также было шесть сторон, но каждый из восьми углов заканчивался заостренным концом.

Все три разновидности обладают способностью улавливать энергию света и периодически выделять ее в виде сверхэнергетических горячих электронов, которые могут ускорять каталитические реакции. Юань, химик из исследовательской группы директора LANP Наоми Халас, провела эксперименты, чтобы увидеть, насколько хорошо каждая из частиц действует как фотокатализатор для реакции диссоциации водорода. Испытания показали, что у осьминогов скорость реакции в 10 раз выше, чем у 14-сторонних нанокристаллов, и в пять раз выше, чем у нанокубов. Осьминоги также имели более низкую кажущуюся энергию активации, примерно на 45% ниже, чем у нанокубов, и на 49% ниже, чем у нанокристаллов.

«Эксперименты показали, что более острые углы увеличивают эффективность», – сказал Юань, соавтор исследования, опубликованного в журнале Американского химического общества ACS Nano. «У осьминогов угол между углами составляет около 60 градусов по сравнению с 90 градусами для кубов и более закругленных точек на нанокристаллах. Таким образом, чем меньше угол, тем больше увеличивается эффективность реакции. Но насколько мало угол может быть ограничен химическим синтезом. Это монокристаллы, которые предпочитают определенные структуры. Вы не можете сделать бесконечно большую резкость. "

Лу, физик и со-ведущий автор исследования в исследовательской группе Питера Нордландера из LANP, подтвердил результаты каталитических экспериментов, разработав теоретическую модель процесса передачи энергии горячими электронами между активируемыми светом наночастицами алюминия и водородом. молекулы.

«Мы вводим длину волны света и форму частицы», – сказал Лу. «Используя эти два аспекта, мы можем точно предсказать, какая форма даст лучший катализатор».

Эта работа является частью продолжающихся усилий LANP в области зеленой химии по разработке коммерчески жизнеспособных активируемых светом нанокатализаторов, которые могут вводить энергию в химические реакции с хирургической точностью. LANP ранее демонстрировала катализаторы для производства этилена и синтез-газа, расщепления аммиака для получения водородного топлива и для разрушения «навсегда химических веществ».

«Это исследование показывает, что форма фотокатализатора – это еще один элемент конструкции, который инженеры могут использовать для создания фотокатализаторов с более высокими скоростями реакции и более низкими барьерами активации», – сказал Халас, профессор электротехники и компьютеров Стэнли Мура из Райса. Инженер, директор Института Смолли-Керла Райс и профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии.

Нордландер – заведующий кафедрой Wiess, профессор физики и астрономии, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии.

Среди соавторов дополнительных исследований – Бенджамин Кларк, Минхэ Лу, Линан Чжоу, Шу Тянь и Кристиан Якобсон, все Райс. Исследование было поддержано Фондом Уэлча (C-1220, C-1222), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-15-1-0022), Агентством по уменьшению угрозы обороны (HDTRA 1-16-1-0042). и программа стипендий Министерства обороны по науке и технике для аспирантов

Источник: https://www.rice.edu/

Source link