POSTECH och en grupp forskare utvecklade en teknologi som dramatiskt förbättrar prestandan hos plasmoniska fotokatalysatorer med hjälp av 'core@shell' nanokristaller med atomiskt konforma metalllamineringar.

Core@shells nanokristaller, som har strukturen av en kärna omgiven av ett skal, kan utnyttja synergin från gränssnittet från kärnan och skalets motsvarigheter, rendering av applikationer i katalys, elektronik, och visar. Särskilt, ytan på kärnplasmoniska nanopartiklar (guld) är likformigt belagda med katalytiskt aktiva övergångsmetaller (platina, palladium, rutenium, och rodium) i kärnan@skalstrukturerna. Under exponering av ljus, ytan på denna fotokatalytiska hybrid kan effektivt omvandla ljusenergi till kemisk energi.

För att bilda ett effektivt plasmonisk-katalytiskt hybridsystem, en teknik för att belägga ett mycket tunt metallskal på den plasmoniska kärnan är avgörande. Dock, konventionella strategier som hittills rapporterats orsakar tjocka skal genom att skada eller deformera kärnmaterialen, avsevärt äventyrar deras plasmoniska egenskaper.

Forskargruppen ledd av professor In Su Lee vid POSTECHs avdelning för kemi tillverkade ett system för inneslutning av nanostruktur för att eliminera de faktorer som orsakade tillväxt av tjocka skal i konventionella tekniker och ett system där plasmoniska nanopartiklar kan separeras individuellt i lösning. Här, genom att bestråla en ljuskälla, forskarna lyckades belägga ytan av de plasmoniska nanokristallerna med en mycket tunn och enhetlig laminering med en tjocklek av en atom. Det kan uttryckas på samma sätt som att belägga ytan på ett piller i en kapsel med en tunn film.

Denna tunt belagda metalllaminering påverkade inte de optiska egenskaperna hos kärnmaterialet, och denna strategi ger en plattform för att syntetisera hybridfotokatalytiska material, i vilken skalets katalytiska prestanda och kärnmaterialets plasmoniska egenskaper effektivt kombineras. Särskilt, gold @ platinum hybrid nanokristaller belagda med en tunn platinafilm på plasmoniska guld nanorods uppvisade mycket hög energiomvandling vilket resulterade i den ökade katalyshastigheten för en fotokatalytisk reaktion, som omvandlar organiska molekyler med hjälp av nära-infraröd laser som energikälla utan att förlora den katalytiska aktiviteten även efter upprepad användning. Dessutom, använder detta tillvägagångssätt, olika ytkrökningar av plasmoniska nanokristaller kan oberoende beläggas och aktiveras med olika ljuskällor, så att aktiviteten hos en specifik katalysator bland blandade katalysatormaterial kan vara selektivt och fjärrstyrd.

"Med syntesmetoden som utvecklats i denna studie, katalytiskt aktiva metaller kan beläggas tunt på ytan av olika typer av plasmoniska nanopartiklar på atomnivå, ", kommenterade professor In Su Lee som ledde studien. "Genom synergi med metallskalet, den kan användas som en högeffektiv fotokatalysator inom olika områden inklusive hållbar energiomvandling, bioteknik, och biomedicinska områden."

Ett POSTECH-forskarteam ledd av professor In Su Lee, Forskningsprofessor Amit Kumar, och Ph.D. kandidat Anubhab Acharya från POSTECHs institution för kemi i samarbete med professorerna Junsuk Rho från POSTECH, Yoon-Kyoung Cho från UNIST, och Sang Ho Oh från Sungkyunkwan University. Baserat på den unika 'nanospace-confined chemical reaction (NCCR)'-forskningen som studeras av forskningscentret, det förväntas att denna forskning kan utvecklas till en teknik för att artificiellt reglera cellers funktioner.

Studien publicerades som ett omslagspapper i Journal of the American Chemical Society