NIST-onderzoekers hebben in ongekend detail een nieuw soort katalysatoren onderzocht die sommige chemische reacties mogelijk maken, die normaal gesproken veel warmte nodig hebben, om bij kamertemperatuur verder te gaan. De energiebesparende katalysatoren gebruiken zonlicht of een andere lichtbron om gelokaliseerde oppervlakteplasmonen (LSP's) te exciteren - oscillaties van groepen elektronen op het oppervlak van bepaalde metalen nanodeeltjes, zoals goud, zilver en aluminium. De energie die wordt verkregen uit de LSP-oscillaties drijft chemische reacties aan tussen moleculen die zich aan de nanodeeltjes hechten.

Wetenschappers hadden eerder aangetoond dat moleculaire waterstof kan worden gesplitst in zijn individuele atomen door de energie die wordt gegenereerd door de LSP-oscillaties. Het NIST-team heeft nu een tweede LSP-gemedieerde reactie ontdekt die verloopt bij kamertemperatuur. Bij deze reactie LSP's geëxciteerd in gouden nanodeeltjes transformeren twee moleculen koolmonoxide in koolstof en koolstofdioxide. De reactie, die normaal gesproken een minimumtemperatuur van 400 graden C vereist, speelt een belangrijke rol bij het omzetten van koolmonoxide in veelgebruikte op koolstof gebaseerde materialen zoals koolstofnanobuisjes en grafiet.

De nanodeeltjes met een elektronenstraal aftasten en de gegevens combineren met simulaties, de NIST-onderzoekers lokaliseerden de plaatsen op de gouden nanodeeltjes waar de reacties plaatsvonden. Ze maten ook de intensiteit van de LSP's en brachten in kaart hoe de energie geassocieerd met de oscillaties van plaats tot plaats in de nanodeeltjes varieerde. De metingen zijn belangrijke stappen in het begrijpen van de rol van LSP's voor het initiëren van reacties bij kamertemperatuur, het verminderen van de noodzaak om de monsters te verwarmen.

Wei-Chang Yang van NIST en het NanoCenter van de Universiteit van Maryland, samen met Henri Lezec en Renu Sharma en andere medewerkers, beschrijven hun werk in de 15 april Natuurmaterialen .

De wetenschappers vertrouwden op afzettingen van vaste koolstofafzettingen - een van de producten van de koolmonoxidereactie die ze bestudeerden - als markers voor de exacte locaties op de gouden nanodeeltjes waar de reactie plaatsvond. Het team ontdekte dat de reactie zich concentreerde op de kruising waar de koolmonoxidegasmoleculen zich bij voorkeur hechten aan de gouden nanodeeltjes en waar de amplitude van het elektrische veld geassocieerd met de LSP's het hoogst was. Hoewel veel LSP's kunnen worden geëxciteerd met zonlicht, het team koos een elektronenstraal om de oscillaties te activeren en bestudeerde de koolmonoxidereactie in een scanning transmissie-elektronenmicroscoop die kan werken in een omgeving bij kamertemperatuur.

De bevindingen, zegt Sharma, de basis leggen voor het zoeken naar andere systemen die zonlicht direct benutten om LSP's in nanodeeltjes te genereren om chemische reacties bij kamertemperatuur aan te sturen. Door het energieverbruik te verminderen, dergelijke systemen kunnen een enorme impact hebben op de industrie en het milieu.