Катализаторы открывают пути для химических реакций на более быстрые и эффективные способы, и разработка новых каталитических технологий является критической частью перехода к зеленой энергетике.
Лаборатория нанотехнологий Университета Райса под руководством пионера нанотехнологий Наоми Халас обнаружила трансформационный подход к использованию каталитической силы алюминиевых наночастиц путем их отжига в различных газовых атмосферах при высоких температурах.
По данным исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Райса и их коллеги показали, что изменение структуры оксидного слоя, покрывающего частицы, модифицирует их каталитические свойства, делая их универсальным инструментом, который можно настраивать в зависимости от потребностей различных контекстов использования, от производства устойчивых топлив до водных реакций.
"Алюминий - это металл с избыточными запасами на Земле, используемый во многих структурных и технологических приложениях", - сказал Аарон Бэйлз, докторант Райса, являющийся ведущим автором статьи. "Все алюминий покрыт поверхностным оксидом, и до сих пор мы не знали, какова структура этого естественного оксидного слоя на наночастицах. Это был ограничивающий фактор, препятствующий широкому применению алюминиевых наночастиц".
Алюминиевые наночастицы эффективно поглощают и рассеивают свет из-за поверхностного плазмонного резонанса, феномена, описывающего коллективные осцилляции электронов на металлической поверхности в ответ на свет определенных длин волн. Как и другие плазмонные наночастицы, ядро алюминиевого нанокристалла может функционировать как наномасштабная оптическая антенна, делая его многообещающим катализатором для световых реакций.
"Почти каждая химическая или пластмассовая продукция, которую мы используем ежедневно, происходит из катализатора, и многие из этих катализаторов зависят от драгоценных металлов, таких как платина, родий, рутений и другие", - сказал Бэйлз.
"Наша конечная цель — произвести революцию в катализе, сделав его более доступным, эффективным и экологически чистым", — сказал Халас, профессор университета, удостоенный высшего академического звания Райс. "Используя потенциал плазмонного фотокатализа, мы прокладываем путь к более светлому и устойчивому будущему".
Группа Халаса разрабатывает алюминиевые наночастицы для световых фотокатализирующих реакций, таких как разложение опасных химических веществ и эффективное производство химических веществ массового потребления. Новообнаруженная способность модифицировать поверхностные оксиды на алюминиевых наночастицах дополнительно повышает их универсальность для использования в качестве катализаторов для эффективного преобразования света в химическую энергию.
"Если вы проводите каталитическую реакцию, молекулы вещества, которое вы хотите преобразовать, будут взаимодействовать с оксидным слоем алюминия, а не с металлическим ядром алюминия, но это металлическое нанокристаллическое ядро уникально способно эффективно поглощать свет и преобразовывать его в энергию, в то время как оксидный слой выполняет роль реактора, передавая эту энергию молекулам реагента", - сказал Бэйлз.
Свойства оксидного покрытия наночастиц определяют их взаимодействие с другими молекулами или материалами. Исследование проясняет структуру этого естественного оксидного слоя на алюминиевых наночастицах и показывает, что простые термические обработки - то есть нагрев частиц до температур до 500 градусов Цельсия (932 градуса Фаренгейта) в различных газах - могут изменить его структуру.
"Кристаллическая фаза, внутричастицное напряжение и плотность дефектов могут быть изменены этим простым подходом", - сказал Бэйлз. "Изначально я был убежден, что термические обработки ничего не меняют, но результаты меня удивили".
Одним из эффектов термических обработок было улучшение алюминиевых наночастиц в облегчении превращения диоксида углерода в окись углерода и воду.
"Изменение слоя алюминиевого оксида таким образом влияет на его каталитические свойства, особенно для световой редукции диоксида углерода, что означает, что наночастицы могут быть полезны для производства устойчивых топлив", - сказал Бэйлз, который сейчас является последипломным исследователем в Национальной лаборатории возобновляемой энергии.
Бэйлз добавил, что способность "использовать изобилие алюминия вместо драгоценных металлов может иметь огромный эффект на борьбу с изменением климата и открывает путь для других материалов к подобным улучшениям".
"Было относительно легко провести эти обработки и получить значительные изменения в каталитическом поведении, что удивительно, потому что алюминиевый оксид, как известно, не реакционен - он очень стабилен", - сказал Бэйлз. "Так что для чего-то, что немного более реакционного - например, оксида титана или оксида меди - вы можете увидеть еще более крупные эффекты".