I en), (b), och C), ytplasmoner exciterade av en laser genererar heta elektroner på en guldnanopartikelyta. I (d), (e), och (f), heta elektroner överförs till H2-molekyler och får dem att dissociera. Eftersom dissociation är det hastighetsbegränsande steget i många kemiska reaktioner, denna heta elektronprocess kan öka reaktionseffektiviteten. Bildkredit:Shaunak Mukherjee, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org)—Från petroleumraffinering till livsmedelsbearbetning, den stora majoriteten av kommersiella kemiska tillämpningar involverar katalysatorer för att kontrollera hastigheten för kemiska reaktioner. Allt som kan öka effektiviteten hos katalysatorer kan ha en utbredd inverkan på dessa områden. I en ny studie, forskare har visat att en effektivitetsförbättring kan vara möjlig genom att skapa "heta" elektroner (de med mycket hög energi) från en metallyta på vilken den kemiska reaktionen sker, och använda elektronerna för att kontrollera den kemiska reaktionen och göra den mer effektiv.
Forskarna, ledd av professorerna Peter Nordlander och Naomi J. Halas från Rice University i Houston, Texas, och professor Emily A. Carter vid Princeton University, New Jersey, har publicerat sin studie om tekniken för att förbättra katalytisk kemi i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
I sin metod, forskarna använde en laser för synligt ljus för att belysa en guldnanopartikelyta (katalysatorytan) vid rumstemperatur. Det inkommande laserljuset exciterar optiskt ytplasmoner på metallytan, och plasmonerna sönderfaller sedan till heta elektroner. På grund av deras höga energier, de heta elektronerna sträcker sig längre bort från nanopartiklarna än vad elektroner med lägre energi gör. Om en annan atom eller molekyl som kan acceptera elektronen är i närheten, den heta elektronen kan överföras till den acceptorns elektroniska tillstånd.
I dessa experiment, forskarna adsorberade H 2 molekyler på guldnanopartikelytan, en procedur som vanligtvis utförs i heterogen katalys, där de adsorberade molekylerna fungerar som reaktanter. Forskarna fann, som huvudresultatet av deras studie, att några av de heta elektronerna kan överföras till de slutna skalen på H 2 molekyler och får de två väteatomerna att separera, eller ta isär. Denna process, kallas "plasmoninducerad dissociation av H 2 på Au, " skulle kunna förbättra effektiviteten av vissa kemiska reaktioner.
"I många viktiga kemiska reaktioner, det hastighetsbegränsande steget är dissocieringen av slutna skalmolekyler som en vätemolekyl, " berättade Nordlander Phys.org . "Om detta reaktionssteg kan "hanteras" (med vår demonstrerade heta elektronprocess), reaktionen kan gå mycket snabbare och kräva mindre energi."
För att mäta dissociationen, forskarna exponerade nanopartikelsubstratet för både H 2 och D 2 (två atomer av deuterium, en väteisotop som innehåller en neutron). Om de heta elektronerna dissocierade dessa molekyler, det skulle resultera i bildandet av HD-molekyler. Forskarna fann att så fort de slog på lasern, hastigheten för HD-bildning på nanopartikelytan ökade med en faktor 6. De mätte också att hastigheten var starkt beroende av koncentrationen och storleken på guldnanopartiklarna. Forskarna förklarade att på sätt och vis, elektronerna "gör det omöjliga" eftersom det inte skulle finnas någon dissociation utan dem.
"En vätemolekyl adsorberad på en makroskopisk guldyta dissocierar inte spontant, även vid höga temperaturer, ", sa Nordlander. "Det är en omöjlig kemisk reaktion. Energin för dissociation är helt enkelt för stor. Vi valde väte-guld-systemet exakt av denna anledning. Vi ville ha ett system där tolkningen av effekten var okomplicerad. På andra metaller, som övergångsmetaller, en vätemolekyl kan dissociera spontant, speciellt nära defekter och vid förhöjda temperaturer. Men inte på guld."
Dessa resultat visar hur området plasmonik – som involverar interaktioner mellan fotoner och nanostrukturer – kan ha tillämpningar inom området katalytisk kemi, särskilt fotokatalys, Forskarna hoppas att denna demonstration av förmågan att kontrollera kemiska reaktioner med hjälp av ljus skulle kunna utökas för specifika användningar. Genom att använda laserfrekvensen för att ställa in ytplasmonresonanserna, det kan vara möjligt att skapa heta elektroner med specifika energier som befolkar specifika elektroniska tillstånd av molekyler som adsorberas på nanopartikelytan.
"Den omedelbara tillämpningen är att förbättra effektiviteten hos metalliska katalysatorer genom att belysa dem med ljus, ", sa Nordlander. "Våra grupper har en mycket "grön agenda" och vår avsikt är att designa nya typer av katalysatorer som drivs av solljus. Det här är något vi har ett överflöd av här i Houston.
"En annan viktig tillämpning är att undersöka i vilken utsträckning vi kan styra och kontrollera kemiska reaktioner genom att låta heta elektroner av speciell energi överföras till specifika molekylära orbitaler. Detta är ett relativt outforskat forskningsämne. Normala elektroner har positiv energi och är mycket "hetare" än våra heta elektroner. Sådana högenergielektroner stannar vanligtvis inte på en molekyl tillräckligt länge för att atomerna ska börja röra sig."
Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.
