En exotisk interaktion mellan ljus och metall kan utnyttjas för att göra kemiska reaktioner mer hållbara, men fysiken bakom det har diskuterats mycket inom området.

Nu, en studie från University of Michigan har visat hur en ljusskördande metall överför energi till en katalytisk metall, öppnar vägen för bättre katalysatordesigner.

Katalysatorer är förmedlare av kemiska reaktioner:de kan få reaktioner att ske vid lägre temperaturer, minskar den energi som behövs, och de kan också ge en fördel åt en önskad reaktionsväg, producerar mer av målkemikalien och mindre avfall.

En ny sorts katalysator kan tillverkas av så kallade plasmoniska metaller som är bra på att fånga ljuset, men de är inte fantastiska på att vägleda reaktioner. För att förbättra deras effektivitet, forskare har peppat dem med material som är bättre katalysatorer, förbättra reaktioner relaterade till bränsleproduktion och vanliga hushållsprodukter som tandkräm, till exempel.

"Svårigheten med tidigare experiment var att det fanns många olika exponerade ytor, så det blir väldigt svårt att tolka dina resultat på grund av nanopartiklarnas komplexitet, sa Umar Aslam, U-M doktorand i kemiteknik,

Nu, Aslam och hans kollegor i Suljo Linics forskargrupp, en professor i kemiteknik och en pionjär inom plasmonisk katalys, har visat hur energin rör sig. Istället för att energiska elektroner hoppar från ljusfångaren till katalysatorn, den plasmoniska metallen fungerar mer som en radioantenn, med katalysatorn som mottagare, sa Aslam.

Deras experiment, publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik , var den första som på ett övertygande sätt visade att denna mekanism fungerar.

"Vi beskrev hur plasmoniska nanostrukturer flyttar ljusets energi till de katalytiskt aktiva platserna, Linic sa. "Vi visade sedan hur denna mekanism kan utnyttjas för att designa mycket effektiva och selektiva katalysatorer."

Selektivitet är uppskattat eftersom det minskar de oönskade "sidoreaktionerna" som producerar avfall.

Koppar, silver och guld är kända för sina plasmoniska egenskaper, eller deras förmåga att fånga energin av synligt ljus i form av vågor i deras ytelektroner, kallas ytplasmoner.

I experimentet, Aslam och Steven Chavez, även doktorand i kemiteknik, producerade nanokuber i silver, cirka 75 nanometer (miljondelar av en centimeter) åt sidan. De belade sedan dessa med platina bara en nanometer tjock.

Metall som är tunn är väsentligen transparent för ljus, så det belagda silvret fortsatte att förvandla ljuset till ytplasmoner. Silvret ledde sedan energin till platinabeläggningen genom havet av elektroner som delades mellan dem. Platina producerade energiska elektroner och positivt laddade hål - laddningsbärare som sedan kunde fortsätta att orsaka kemiska reaktioner på dess yta.

Platina anses allmänt vara "kejsaren av alla katalysatorer, vilket gör detta material till ett självklart val för forskare som är intresserade av plasmonisk katalys, sa Aslam.

Ändå hade ingen kunnat göra det tidigare eftersom det är mycket svårt att få en tunn film av platina på silver. Under de flesta förhållanden, silvret tenderar att mattas, sa Aslam. Så han och Chavez justerade reaktionsförhållandena så att platinabeläggningen skedde mycket snabbare än matningen.

Gruppen visade att katalysatorn nästan fördubblade hastigheten med vilken kolmonoxidföroreningar i väte förvandlades till koldioxid när ljuset var på - jämfört med reaktionen i mörker, som enbart förlitar sig på platina. Denna omvandling är viktig vid framställning av väte från metan, som överbliven kolmonoxid sprutar upp katalysatorerna i vätebränsleceller.

De visade att varken silver-nanokuberna ensamma-eller de kubiska platinaskalorna som blev över när silvret avlägsnades med syra-kunde fungera som de platina-belagda kuberna. Fortfarande, Linic och Aslam varnar för att dessa nya katalysatorer ännu inte är föregångare till en revolution inom industriell kemi.

"Just nu, plasmonisk katalys är ett begynnande fält, Aslam sa. "Det kostar mer att förbereda en sådan här katalysator jämfört med konventionella katalysatorer."

Men med fortsatta framsteg inom nanopartikelsyntes och idéer för att ytterligare förbättra effektivitetsvinsterna som plasmoniska katalysatorer erbjuder, de kan göra den kemiska industrin grönare i framtiden.

Studien har titeln "Kontrollera energiflödet i multimetalliska nanostrukturer för plasmonisk katalys."