Точки имеют значение при создании наночастиц, которые управляют важными химическими реакциями, используя силу света.Исследователи из лаборатории нанофотоники Университета Гайса (LANP) уже давно знают, что форма наночастицы влияет на то, как она взаимодействует со светом, и их последнее исследование показывает, как форма влияет на способность частицы использовать свет для катализа важных химических реакций.
В ходе сравнительного исследования аспиранты ЛАНП Линь Юань и Аньшань Лу и их коллеги изучали наночастицы алюминия с одинаковыми оптическими свойствами, но разной формы. Наиболее округлые имели 14 сторон и 24 тупых острия. Другой был кубической формы, с шестью сторонами и восемью 90-градусными углами. Третий, который команда окрестила "осьминогом", также имел шесть сторон, но каждый из его восьми углов заканчивался заостренным концом.
Все три разновидности обладают способностью улавливать энергию света и периодически высвобождать ее в виде сверхэнергичных горячих электронов, способных ускорять каталитические реакции. Юань, химик из исследовательской группы директора ЛАНП Наоми Даллас, провел эксперименты, чтобы увидеть, насколько хорошо каждая из частиц работает в качестве фотокатализатора для реакции диссоциации водорода. Испытания показали, что скорость реакции осьминогов в 10 раз выше, чем у 14-гранных монокристаллов, и в пять раз выше, чем Нана кубов. У осьминогов также была более низкая кажущаяся энергия активации, примерно на 45% ниже, чем Нана кубов, и на 49% ниже, чем у монокристаллов.
Эксперименты показали, что более острые углы повышают эффективность. Для осьминогов угол углов составляет около 60 градусов, по сравнению с 90 градусами для кубов и более округлых точек на монокристаллах. Таким образом, чем меньше угол, тем больше увеличивается эффективность реакции. Но то, насколько малым может быть угол, ограничено химическим синтезом. Это монокристаллы, которые предпочитают определенные структуры. Вы не можете сделать бесконечно больше резкости.
Лу, физик и соавтор исследования в исследовательской группе Петера Голландера ЛАНП, проверил результаты каталитических экспериментов, разработав теоретическую модель процесса, переноса энергии горячих электронов между активированными светом наночастицами алюминия и молекулами водорода.
Мы вводим длину волны света и форму частиц, сказал Лу. Используя эти два аспекта, мы можем точно предсказать, какая форма даст лучший катализатор.
Эта работа является частью продолжающихся усилий ЛАНП в области зеленой химии по разработке коммерческой жизни. Активируемых Нана катализаторов, которые могут вводить энергию в химические реакции с хирургической точностью. ЛАНП ранее продемонстрировала катализаторы для производства этилена и синтез-газа, расщепления аммиака с получением водородного топлива и для расщепления вечных химикатов.
Это исследование показывает, что форма фотокатализатора-еще один элемент дизайна, который инженеры могут использовать для создания фотокатализаторов с более высокими скоростями реакции и более низкими барьерами активации, сказал Даллас, профессор электротехники и вычислительной техники Гайса Стэнли К. Мур, директор Института Смолли-керла Гайса и профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, а также материаловедения и биоинженерии.
