De groep van prof. Polshettiwar aan het Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai heeft een nieuwe "plasmonische reductiekatalysator stabiel in lucht" ontwikkeld, die de algemene instabiliteit van reductiekatalysatoren in de aanwezigheid van lucht trotseert. De katalysator combineert met platina gedoteerde rutheniumclusters met 'plasmonisch zwart goud'. Dit zwarte goud verzamelt efficiënt zichtbaar licht en genereert talloze hotspots als gevolg van plasmonische koppeling, waardoor de katalytische prestaties worden verbeterd.

Het team beschrijft hun werk in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Wat deze katalysator onderscheidt zijn zijn opmerkelijke prestaties bij de semi-hydrogenering van acetyleen, een belangrijk industrieel proces. In de aanwezigheid van een overmaat aan etheen, en met uitsluitend zichtbaar licht zonder enige externe verwarming, bereikte de katalysator een etheenproductiesnelheid van 320 mmol g ⁻¹ h ⁻¹ met een selectiviteit van ongeveer 90%. Deze efficiëntie overtreft alle bekende plasmonische en traditionele thermische katalysatoren.

Verrassend genoeg vertoont deze katalysator alleen zijn beste prestaties als er lucht naast de reactanten wordt ingebracht. Deze unieke eis leidt tot ongekende stabiliteit gedurende minimaal 100 uur. De onderzoekers schrijven dit toe aan plasmon-gemedieerde gelijktijdige reductie- en oxidatieprocessen op de actieve plaatsen tijdens de reactie.

Om ons begrip van deze katalysator verder te verbeteren, onthulden simulaties met eindige verschiltijdsdomeinen (FDTD) een vijfvoudige toename van het elektrische veld in vergelijking met ongerepte DPC. Deze veldverbetering speelt, vanwege de nabije veldkoppeling tussen de RuPt-nanodeeltjes en DPC, een cruciale rol bij het activeren van chemische bindingen. De doeltreffendheid van de katalysator blijkt ook uit het kinetisch isotoopeffect (KIE), dat bij alle temperaturen groter is onder licht dan in het donker.

Dit duidt op de belangrijke rol van niet-thermische effecten naast fotothermische activering van de reactanten. Diepgaande in-situ DRIFTS- en DFT-studies verschaften inzicht in het reactiemechanisme over het oxideoppervlak, waarbij vooral de rol van tussenproducten in de selectiviteit werd benadrukt. Het gedeeltelijk geoxideerde oppervlak van de RuPt-katalysator genereert di-σ-gebonden acetyleen, dat vervolgens in verschillende stappen wordt omgezet om etheen te produceren.

Dit onderzoek markeert het eerste rapport van een zeer efficiënte, luchtgestabiliseerde en plasmonisch geactiveerde katalysator voor semi-hydrogenering van acetyleen, met potentiële toepassingen in een verscheidenheid aan andere reductiereacties. De bevindingen bieden belangrijke bijdragen aan het begrip van plasmonische katalyse en maken de weg vrij voor de ontwikkeling van duurzame en energie-efficiënte katalytische systemen.

Meer informatie: Gunjan Sharma et al, Pt-gedoteerde Ru-nanodeeltjes geladen op 'zwarte goud'-plasmonische nanoreactoren als luchtstabiele reductiekatalysatoren, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44954-4

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Tata Instituut voor Fundamenteel Onderzoek