Punten zijn belangrijk bij het ontwerpen van nanodeeltjes die belangrijke chemische reacties aansturen met behulp van de kracht van licht.

Onderzoekers van het Laboratorium voor Nanofotonica (LANP) van de Rice University weten al lang dat de vorm van een nanodeeltje van invloed is op de interactie met licht, en hun laatste onderzoek laat zien hoe vorm het vermogen van een deeltje beïnvloedt om licht te gebruiken om belangrijke chemische reacties te katalyseren.

In een vergelijkende studie, LANP-afgestudeerde studenten Lin Yuan en Minhan Lou en hun collega's bestudeerden aluminium nanodeeltjes met identieke optische eigenschappen maar verschillende vormen. De meest afgeronde had 14 zijden en 24 stompe punten. Een andere was kubusvormig, met zes zijden en acht hoeken van 90 graden. De derde, die het team "octopod, " had ook zes kanten, maar elk van de acht hoeken eindigde in een puntige punt.

Alle drie de varianten hebben het vermogen om energie uit licht te vangen en deze periodiek af te geven in de vorm van super-energetische hete elektronen die katalytische reacties kunnen versnellen. Yuan, een chemicus in de onderzoeksgroep van LANP-directeur Naomi Halas, voerde experimenten uit om te zien hoe goed elk van de deeltjes presteerde als fotokatalysatoren voor waterstofdissociatiereactie. De tests toonden aan dat octopoden een 10 keer hogere reactiesnelheid hadden dan de 14-zijdige nanokristallen en vijf keer hoger dan de nanokubussen. Octopoden hadden ook een lagere schijnbare activeringsenergie, ongeveer 45% lager dan nanokubussen en 49% lager dan nanokristallen.

"De experimenten toonden aan dat scherpere hoeken de efficiëntie verhoogden, " zei Yuan, co-hoofdauteur van de studie, die is gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano. "Voor de octopoden, de hoek van de hoeken is ongeveer 60 graden, vergeleken met 90 graden voor de kubussen en meer afgeronde punten op de nanokristallen. Dus hoe kleiner de hoek, hoe groter de toename van de reactie-efficiëntie. Maar hoe klein de hoek kan zijn, wordt beperkt door chemische synthese. Dit zijn enkele kristallen die bepaalde structuren prefereren. Je kunt niet oneindig meer scherpte maken."

Lou, een natuurkundige en co-hoofdauteur van de studie in de onderzoeksgroep van LANP's Peter Nordlander, verifieerde de resultaten van de katalytische experimenten door een theoretisch model te ontwikkelen van het hete-elektron-energieoverdrachtsproces tussen de door licht geactiveerde aluminium nanodeeltjes en waterstofmoleculen.

"We voeren de golflengte van licht en de deeltjesvorm in, " zei Lou. "Met behulp van deze twee aspecten, we kunnen nauwkeurig voorspellen welke vorm de beste katalysator zal produceren."

Het werk maakt deel uit van een voortdurende groene chemie-inspanning van LANP om commercieel levensvatbare, door licht geactiveerde nanokatalysatoren te ontwikkelen die met chirurgische precisie energie kunnen inbrengen in chemische reacties. LANP heeft eerder katalysatoren voor de productie van ethyleen en syngas gedemonstreerd, het splitsen van ammoniak om waterstofbrandstof te produceren en om "voor altijd chemicaliën" uit elkaar te halen.

"Deze studie toont aan dat de vorm van een fotokatalysator een ander ontwerpelement is dat ingenieurs kunnen gebruiken om fotokatalysatoren te maken met hogere reactiesnelheden en lagere activeringsbarrières. " zei Halas, Rice's Stanley C. Moore hoogleraar elektrische en computertechniek, directeur van Rice's Smalley-Curl Institute en hoogleraar scheikunde, bio-engineering, natuurkunde en sterrenkunde, en materiaalkunde en nano-engineering.