Prof. Polshettiwars grupp vid Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai, har utvecklat en ny "plasmonisk reduktionskatalysator stabil i luft", som trotsar den vanliga instabiliteten hos reduktionskatalysatorer i närvaro av luft. Katalysatorn slår samman platinadopade ruteniumkluster, med "plasmoniskt svart guld." Detta svarta guld skördar effektivt synligt ljus och genererar många hot spots på grund av plasmonisk koppling, vilket förbättrar dess katalytiska prestanda.
Teamet beskriver sitt arbete i en artikel publicerad i tidskriften Nature Communications .
Det som skiljer denna katalysator åt är dess anmärkningsvärda prestanda vid semihydrering av acetylen, en viktig industriell process. I närvaro av överskott av eten, och med användning av endast synligt ljus utan någon extern uppvärmning, uppnådde katalysatorn en etenproduktionshastighet på 320 mmol g −1 h −1 med cirka 90 % selektivitet. Denna effektivitet överträffar alla kända plasmoniska och traditionella termiska katalysatorer.
Överraskande nog uppvisar denna katalysator sin bästa prestanda endast när luft införs tillsammans med reaktanterna. Detta unika krav leder till oöverträffad stabilitet i minst 100 timmar. Forskarna tillskriver detta plasmonförmedlade samtidiga reduktions- och oxidationsprocesser på de aktiva platserna under reaktionen.
För att ytterligare förbättra vår förståelse av denna katalysator, avslöjade finite-difference time-domän (FDTD) simuleringar en femfaldig ökning av det elektriska fältet jämfört med orörd DPC. Denna fältförbättring, på grund av närfältskopplingen mellan RuPt-nanopartiklarna och DPC, spelar en avgörande roll för att aktivera kemiska bindningar. Katalysatorns effektivitet är också tydlig i dess kinetiska isotopeffekt (KIE), som är större under ljus än i mörker vid alla temperaturer.
Detta indikerar den betydande rollen av icke-termiska effekter vid sidan av fototermisk aktivering av reaktanterna. Djupgående in-situ DRIFTS- och DFT-studier gav insikter i reaktionsmekanismen över oxidytan, vilket särskilt lyfter fram intermediärernas roll i selektivitet. Den delvis oxiderade RuPt-katalysatorytan genererar di-σ-bunden acetylen, som sedan omvandlas genom flera steg för att producera eten.
Denna forskning markerar den första rapporten om en mycket effektiv, luftstabiliserad och plasmoniskt aktiverad katalysator för acetylen semihydrering, med potentiella tillämpningar i en mängd andra reduktionsreaktioner. Resultaten ger betydande bidrag till förståelsen av plasmonisk katalys och banar väg för utveckling av hållbara och energieffektiva katalytiska system.
Mer information: Gunjan Sharma et al, Pt-dopade Ru-nanopartiklar laddade på "svart guld" plasmoniska nanoreaktorer som luftstabila reduktionskatalysatorer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44954-4
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Tata Institute of Fundamental Research
