Katalysatoren ontsluiten routes waardoor chemische reacties sneller en efficiënter kunnen verlopen, en de ontwikkeling van nieuwe katalytische technologieën is een cruciaal onderdeel van de groene energietransitie.

Het Rice University-laboratorium van nanotechnologiepionier Naomi Halas heeft een transformatieve aanpak ontdekt voor het benutten van de katalytische kracht van aluminium nanodeeltjes door ze in verschillende gasatmosferen bij hoge temperaturen te laten uitgloeien.

Dat blijkt uit een studie gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences Onderzoekers en medewerkers van Rice hebben aangetoond dat het veranderen van de structuur van de oxidelaag die de deeltjes omhult hun katalytische eigenschappen wijzigt, waardoor ze een veelzijdig hulpmiddel worden dat kan worden aangepast aan de behoeften van verschillende gebruikscontexten, van de productie van duurzame brandstoffen tot water- gebaseerde reacties.

"Aluminium is een metaal dat overvloedig aanwezig is in de aarde en dat in veel structurele en technologische toepassingen wordt gebruikt", zegt Aaron Bayles, een PhD-aluin van Rice en hoofdauteur van het artikel. "Al het aluminium is bedekt met een oppervlakte-oxide, en tot nu toe wisten we niet wat de structuur van deze natuurlijke oxidelaag op de nanodeeltjes was. Dit is een beperkende factor geweest die de wijdverbreide toepassing van aluminium nanodeeltjes verhinderde."

Aluminium nanodeeltjes absorberen en verstrooien licht met opmerkelijke efficiëntie dankzij oppervlakteplasmonresonantie, een fenomeen dat de collectieve oscillatie van elektronen op het metaaloppervlak beschrijft als reactie op licht met specifieke golflengten. Net als andere plasmonische nanodeeltjes kan de aluminium nanokristalkern functioneren als een optische antenne op nanoschaal, waardoor het een veelbelovende katalysator is voor op licht gebaseerde reacties.

"Bijna elke chemische stof, elk plastic dat we dagelijks gebruiken, is afkomstig van een katalytisch proces, en veel van deze katalytische processen zijn afhankelijk van edele metalen zoals platina, rhodium, ruthenium en andere", aldus Bayles. P>

"Ons uiteindelijke doel is om een ​​revolutie teweeg te brengen in de katalyse, door deze toegankelijker, efficiënter en milieuvriendelijker te maken", zegt Halas, universiteitsprofessor met de hoogste academische rang van Rice. "Door het potentieel van plasmonische fotokatalyse te benutten, maken we de weg vrij voor een betere, duurzamere toekomst."

De Halas-groep heeft aluminiumnanodeeltjes ontwikkeld voor plasmonische fotokatalysereacties, zoals de ontleding van gevaarlijke chemische oorlogsmiddelen en de efficiënte productie van basischemicaliën. Het nieuw ontdekte vermogen om de oppervlakteoxiden op aluminium nanodeeltjes te modificeren vergroot hun veelzijdigheid voor gebruik als katalysatoren om licht efficiënt om te zetten in chemische energie.

"Als je een katalytische reactie uitvoert, zullen de moleculen van de stof die je wilt transformeren een interactie aangaan met de aluminiumoxidelaag in plaats van met de aluminiummetaalkern, maar die metalen nanokristalkern is op unieke wijze in staat licht zeer efficiënt te absorberen en zet het om in energie, terwijl de oxidelaag de rol van een reactor vervult en die energie overbrengt naar reactantmoleculen”, aldus Bayles.

De eigenschappen van de oxidecoating van de nanodeeltjes bepalen hoe ze interageren met andere moleculen of materialen. Het onderzoek verduidelijkt de structuur van deze natuurlijke oxidelaag op aluminium nanodeeltjes en laat zien dat eenvoudige thermische behandelingen, dat wil zeggen het verwarmen van de deeltjes tot temperaturen tot 500 graden Celsius in verschillende gassen, de structuur ervan kunnen veranderen.

"De kristallijne fase, intradeeltjesspanning en defectdichtheid kunnen allemaal worden gewijzigd door deze eenvoudige aanpak", aldus Bayles. "Aanvankelijk was ik ervan overtuigd dat de thermische behandelingen niets hielpen, maar de resultaten verrasten me."

Een van de effecten van de thermische behandelingen was dat de aluminium nanodeeltjes de omzetting van kooldioxide in koolmonoxide en water beter konden faciliteren.

"Het op deze manier veranderen van de aluminiumoxidelaag heeft invloed op de katalytische eigenschappen ervan, vooral voor de door licht aangedreven koolstofdioxidereductie, wat betekent dat de nanodeeltjes nuttig kunnen zijn voor de productie van duurzame brandstoffen", zegt Bayles, die nu postdoctoraal onderzoeker is bij het National Renewable Energy Laboratory. .

Bayles voegde eraan toe dat het vermogen "om overvloedig aluminium te gebruiken in plaats van edelmetalen een enorme impact zou kunnen hebben op de strijd tegen de klimaatverandering en de weg zou openen voor andere materialen die op soortgelijke wijze kunnen worden verbeterd."

"Het was relatief eenvoudig om deze behandelingen uit te voeren en grote veranderingen in het katalytische gedrag te bewerkstelligen, wat verrassend is omdat aluminiumoxide niet reactief is; het is zeer stabiel", aldus Bayles. "Dus voor iets dat wat reactiever is, zoals titaniumoxide of koperoxide, zie je misschien nog grotere effecten."

Meer informatie: Aaron Bayles et al., Het aluminium nanokristal-oppervlakteoxide afstemmen op volledig op aluminium gebaseerde plasmonische fotokatalysatoren voor antennereactoren, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2321852121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Rice University