NIST-forskare har i oöverträffad detalj utforskat en ny sort av katalysatorer som tillåter vissa kemiska reaktioner, som normalt kräver hög värme, för att fortsätta vid rumstemperatur. De energibesparande katalysatorerna använder solljus eller annan ljuskälla för att excitera lokaliserade ytplasmoner (LSP) – svängningar av grupper av elektroner på ytan av vissa metallnanopartiklar, som guld, silver och aluminium. Energin som härrör från LSP-svängningarna driver kemiska reaktioner mellan molekyler som fäster vid nanopartiklarna.

Forskare hade tidigare visat att molekylärt väte kan delas upp i sina individuella atomer av energin som genereras av LSP-svängningarna. NIST-teamet har nu upptäckt en andra LSP-medierad reaktion som fortsätter vid rumstemperatur. I denna reaktion, LSP:er exciterade i guldnanopartiklar omvandlar två molekyler kolmonoxid till kol och koldioxid. Reaktionen, som vanligtvis kräver en lägsta temperatur på 400 grader C., spelar en viktig roll för att omvandla kolmonoxid till mycket använda kolbaserade material som kolnanorör och grafit.

Undersöka nanopartiklarna med en elektronstråle och kombinera data med simuleringar, NIST-forskarna pekade ut platserna på guldnanopartiklarna där reaktionerna inträffade. De mätte också intensiteten hos LSP:erna och kartlade hur energin som var förknippad med svängningarna varierade från plats till plats inuti nanopartiklarna. Mätningarna är viktiga steg för att förstå rollen av LSP:er för att initiera reaktioner vid rumstemperatur, minskar behovet av att värma proverna.

Wei-Chang Yang från NIST och University of Maryland NanoCenter, tillsammans med Henri Lezec och Renu Sharma och andra medarbetare, beskriv deras arbete den 15 april Naturmaterial .

Forskarna förlitade sig på avlagringar av fasta kolavlagringar - en av produkterna från kolmonoxidreaktionen de studerade - som markörer för de exakta platserna på guldnanopartiklarna där reaktionen ägde rum. Teamet fann att reaktionen koncentrerades vid skärningspunkten där kolmonoxidgasmolekylerna företrädesvis fäster vid guldnanopartiklarna och där amplituden av det elektriska fältet associerat med LSP:erna var högst. Även om många LSP:er kan upphetsas med solljus, teamet valde en elektronstråle för att utlösa svängningarna och studerade kolmonoxidreaktionen i ett scanningtransmissionselektronmikroskop som kan arbeta i en rumstemperaturmiljö.

Resultaten, säger Sharma, lägga grunden för att söka efter andra system som direkt utnyttjar solljus för att generera LSP i nanopartiklar för att driva kemiska reaktioner i rumstemperatur. Genom att minska energiförbrukningen, sådana system kan ha en enorm inverkan på industrin och miljön.