Katalysatorer låser upp vägar för kemiska reaktioner att utvecklas i snabbare och effektivare takt, och utvecklingen av nya katalytiska teknologier är en kritisk del av den gröna energiomställningen.
Rice University-labbet av nanoteknikpionjären Naomi Halas har avslöjat ett transformativt tillvägagångssätt för att utnyttja den katalytiska kraften hos aluminiumnanopartiklar genom att glödga dem i olika gasatmosfärer vid höga temperaturer.
Enligt en studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , visade risforskare och samarbetspartners att förändring av strukturen på oxidskiktet som täcker partiklarna ändrar deras katalytiska egenskaper, vilket gör dem till ett mångsidigt verktyg som kan skräddarsys för att passa behoven i olika användningssammanhang från produktion av hållbara bränslen till vatten- baserade reaktioner.
"Aluminium är en jordnära metall som används i många strukturella och tekniska tillämpningar", säger Aaron Bayles, en doktoralun från Rice som är en huvudförfattare på tidningen. "Allt aluminium är belagt med en ytoxid, och hittills har vi inte vetat vad strukturen för detta naturliga oxidskikt på nanopartiklarna var. Detta har varit en begränsande faktor som förhindrar den utbredda användningen av aluminiumnanopartiklar."
Nanopartiklar av aluminium absorberar och sprider ljus med anmärkningsvärd effektivitet på grund av ytplasmonresonans, ett fenomen som beskriver den kollektiva oscillationen av elektroner på metallytan som svar på ljus med specifika våglängder. Precis som andra plasmoniska nanopartiklar kan nanokristallkärnan av aluminium fungera som en optisk antenn i nanoskala, vilket gör den till en lovande katalysator för ljusbaserade reaktioner.
"Nästan varje kemikalie, varje plast som vi använder på en daglig basis, kom från en katalytisk process, och många av dessa katalytiska processer är beroende av ädelmetaller som platina, rodium, rutenium och andra," sa Bayles. P>
"Vårt yttersta mål är att revolutionera katalys, vilket gör den mer tillgänglig, effektiv och miljövänlig", säger Halas, som är universitetsprofessor, Rices högsta akademiska rang. "Genom att utnyttja potentialen hos plasmonisk fotokatalys banar vi vägen för en ljusare och mer hållbar framtid."
Halas-gruppen har utvecklat nanopartiklar av aluminium för plasmoniska fotokatalysreaktioner som sönderdelning av farliga kemiska krigföringsmedel och effektiv produktion av råvarukemikalier. Den nyligen upptäckta förmågan att modifiera ytoxiderna på nanopartiklar av aluminium ökar ytterligare deras mångsidighet för användning som katalysatorer för att effektivt omvandla ljus till kemisk energi.
"Om du gör en katalytisk reaktion, kommer molekylerna i ämnet du vill omvandla att interagera med aluminiumoxidskiktet snarare än med aluminiummetallkärnan, men den metalliska nanokristallkärnan har unik förmåga att absorbera ljus mycket effektivt och omvandla det till energi, medan oxidskiktet fyller rollen som en reaktor och överför den energin till reaktantmolekyler, säger Bayles.
Egenskaperna hos nanopartiklarnas oxidbeläggning avgör hur de interagerar med andra molekyler eller material. Studien belyser strukturen av detta naturliga oxidskikt på aluminiumnanopartiklar och visar att enkla termiska behandlingar – det vill säga uppvärmning av partiklarna till temperaturer på upp till 500 grader Celsius (932 Fahrenheit) i olika gaser – kan förändra dess struktur.
"Den kristallina fasen, intrapartikelstammen och defektdensiteten kan alla modifieras genom detta enkla tillvägagångssätt," sa Bayles. "Inledningsvis var jag övertygad om att de termiska behandlingarna inte gjorde något, men resultaten överraskade mig."
En av effekterna av de termiska behandlingarna var att göra aluminiumnanopartiklarna bättre på att underlätta omvandlingen av koldioxid till kolmonoxid och vatten.
"Att ändra aluminiumoxidlagret på detta sätt påverkar dess katalytiska egenskaper, särskilt för ljusdriven koldioxidreduktion, vilket innebär att nanopartiklarna kan vara användbara för att producera hållbara bränslen", säger Bayles, som nu är postdoktor vid National Renewable Energy Laboratory .
Bayles tillade att förmågan "att använda rikligt med aluminium i stället för ädelmetaller kan vara enormt betydelsefull för att bekämpa klimatförändringar och öppnar vägen för andra material att förbättras på liknande sätt."
"Det var relativt lätt att göra dessa behandlingar och få stora förändringar i katalytiskt beteende, vilket är förvånande eftersom aluminiumoxid är känt inte reaktivt; det är mycket stabilt," sa Bayles. "Så för något som är lite mer reaktivt, som titanoxid eller kopparoxid, kan du se ännu större effekter."
Mer information: Aaron Bayles et al, Skräddarsy av aluminium nanokristallytoxid för helt aluminiumbaserade antennreaktor plasmoniska fotokatalysatorer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2321852121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Rice University
