Een exotische interactie tussen licht en metaal kan worden aangewend om chemische reacties duurzamer te maken, maar de fysica erachter is veel besproken in het veld.

Nutsvoorzieningen, een studie van de Universiteit van Michigan heeft aangetoond hoe een licht oogstend metaal energie overbrengt naar een katalytisch metaal, de weg vrijmaken voor betere katalysatorontwerpen.

Katalysatoren zijn bemiddelaars van chemische reacties:ze kunnen reacties laten plaatsvinden bij lagere temperaturen, het verminderen van de benodigde energie, en ze kunnen ook een voorsprong geven op een gewenst reactiepad, produceren van meer van de beoogde chemische stof en minder afval.

Er kan een nieuw soort katalysator worden gemaakt van zogenaamde plasmonische metalen die goed zijn in het opvangen van licht, maar ze zijn niet geweldig in het sturen van reacties. Om hun effectiviteit te verbeteren, onderzoekers hebben ze gepeperd met materialen die betere katalysatoren zijn, verbetering van reacties gerelateerd aan brandstofproductie en gewone huishoudelijke producten zoals tandpasta, bijvoorbeeld.

"De moeilijkheid met eerdere experimenten was dat er veel verschillende blootgestelde oppervlakken waren, dus het wordt erg moeilijk om je resultaten te interpreteren vanwege de complexiteit van de nanodeeltjes, " zei Umar Aslam, U-M-doctoraatsstudent chemische technologie,

Nutsvoorzieningen, Aslam en zijn collega's in de onderzoeksgroep van Suljo Linic, een professor in chemische technologie en een pionier in plasmonische katalyse, hebben laten zien hoe de energie beweegt. In plaats van energetische elektronen die van de lichtvanger naar de katalysator springen, het plasmonische metaal gedraagt ​​zich meer als een radioantenne, met de katalysator als ontvanger, zei Aslam.

Hun experiment, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , was de eerste die overtuigend aantoonde dat dit mechanisme werkt.

"We hebben beschreven hoe plasmonische nanostructuren de energie van licht naar de katalytisch actieve plaatsen verplaatsen, " zei Linic. "We hebben toen aangetoond hoe dit mechanisme kan worden benut om zeer efficiënte en selectieve katalysatoren te ontwerpen."

Selectiviteit wordt gewaardeerd omdat het de ongewenste "nevenreacties" die afval produceren, vermindert.

Koper, zilver en goud staan ​​bekend om hun plasmonische eigenschappen, of hun vermogen om de energie van zichtbaar licht in de vorm van golven op te vangen in hun oppervlakte-elektronen, oppervlakteplasmonen genoemd.

In het experiment, Aslam en Steven Chávez, ook een doctoraatsstudent in de chemische technologie, geproduceerde zilveren nanokubussen, ongeveer 75 nanometer (miljoenste van een centimeter) opzij. Die bedekten ze vervolgens met platina van slechts één nanometer dik.

Metaal dat dun is, is in wezen transparant voor licht, dus het gecoate zilver bleef het licht veranderen in oppervlakteplasmonen. Het zilver leidde vervolgens de energie naar de platina-coating door de zee van elektronen die tussen hen werd gedeeld. Het platina produceerde energetische elektronen en positief geladen gaten - ladingsdragers die vervolgens chemische reacties op het oppervlak zouden kunnen veroorzaken.

Platina wordt algemeen beschouwd als "de keizer van alle katalysatoren, " waardoor dit materiaal een voor de hand liggende keuze is voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in plasmonische katalyse, zei Aslam.

Maar dat was nog nooit eerder gelukt, omdat het heel moeilijk is om een ​​dun laagje platina op zilver te krijgen. Onder de meeste omstandigheden, het zilver heeft de neiging om te bezoedelen, zei Aslam. Dus hij en Chavez pasten de reactieomstandigheden aan zodat de platinacoating veel sneller gebeurde dan de aanslag.

De groep toonde aan dat de katalysator bijna de snelheid verdubbelde waarmee koolmonoxideverontreinigingen in waterstof in kooldioxide veranderden wanneer het licht aan was - in vergelijking met de reactie in het donker, die alleen op platina vertrouwt. Deze omzetting is belangrijk bij de productie van waterstof uit methaan, terwijl overgebleven koolmonoxide de katalysatoren in waterstofbrandstofcellen ophoopt.

Ze toonden aan dat noch de zilveren nanokubussen alleen - noch de kubieke platina-omhulsels die overblijven wanneer het zilver door zuur werd verwijderd - konden presteren zoals de met platina gecoate kubussen. Nog altijd, Linic en Aslam waarschuwen dat deze nieuwe katalysatoren nog geen voorbodes zijn van een revolutie in de industriële chemie.

"Direct, plasmonische katalyse is een ontluikend veld, " zei Aslam. "Het kost meer om een ​​dergelijke katalysator te maken in vergelijking met conventionele katalysatoren."

Maar met voortdurende vooruitgang in de synthese van nanodeeltjes en ideeën om de efficiëntieverbeteringen van plasmonische katalysatoren verder te verbeteren, ze kunnen de chemische industrie in de toekomst misschien groener maken.

De studie is getiteld "Controlling energy flow in multimetallic nanostructures for plasmonic catalyse."