Keemiliste reaktsioonide juhtimiseks valguse kasutamine

Mihkel Pajusalu | Bakterid päästaksid päikesepaneelide tuleviku (Juuli 2019).

Anonim

Keemiliste reaktsioonide jätkusuutlikumaks muutmiseks võib kasutada kerge ja metalli eksootilist koostoimet, kuid selle taga olevat füüsikat on selles valdkonnas laiaulatuslikult arutatud.

Nüüd on Michigani ülikooli uurimus näidanud, kuidas kerget koristusmetall kannab katalüütilise metalli energia, mis avab tee katalüsaatorite paremaks kujundamiseks.

Katalüsaatorid on keemiliste reaktsioonide vahendajad: nad võivad tekitada reaktsioone madalamal temperatuuril, vähendades vajalikku energiat, ja nad võivad samuti anda soovitud reaktsioonitee serva, tekitades rohkem sihtmärke ja vähendades jäätmeid.

Uut tüüpi katalüsaatorit saab valmistada niinimetatud plasmonaarsetest metallidest, mis sobivad valguse pildistamiseks, kuid need ei ole juhtivate reaktsioonide puhul hämmastavad. Selle efektiivsuse parandamiseks on teadlased peentinud neid katalüsaatoritest paremate materjalidega, parandades näiteks kütuse tootmisega seotud reaktsioone ja tavapäraseid leibkonna tooteid, nagu näiteks hambapasta.

"Varasemate katsetega oli raskusi sellega, et seal oli palju erinevaid pindu, nii et nanoosakeste keerukuse tõttu on tulemusi väga raske tõlgendada, " ütles UMM UMi keemiatehnoloogia doktorant,

Nüüd on Aslam ja tema kolleegid Suljo Linic, keemiatehnoloogia professor ja plasmoonse katalüüsi pioneer uurimisrühmas, näidanud, kuidas energia liigub. Aslan ütles, et plasmonicmetall toimib pigem raadioantennina kui vastuvõtja katalüsaator, vaid energiakad elektronid, kes hüppavad valguse-capturerilt katalüsaatorile.

Nende eksperiment, mis ilmus ajakirjas Nature Nanotechnology, oli esimene, kes veenvalt näitas, et see mehhanism on tööl.

"Me kirjeldasime, kuidas plasmoonilised nanostruktuurid viivad valguse energia katalüütiliselt aktiivsetesse kohtadesse, " sõnas Linic. "Seejärel näitasime, kuidas seda mehhanismi saab kasutada väga tõhusate ja valikuliste katalüsaatorite kavandamiseks."

Selektiivsus on hinnatud, kuna see vähendab soovimatuid kõrvaltoimeid, mis tekitavad jäätmeid.

Vask, hõbe ja kuld on tuntud nende plasmooniliste omaduste poolest või nende võimest hõivata valguse nähtavat valgust oma pinna elektronides olevate lainete kujul, mida nimetatakse pinnaplasmonideks.

Eksperimendis toodavad Aslam ja Steven Chavez, samuti keemiatehnoloogia doktoriõpetaja, hõbedat nanokarbid, mille külge on ligikaudu 75 nanomeetrit (miljondikosad sentimeetrit). Seejärel kaeti need plaatinaga vaid ühe nanomeetri paksusega.

Õhuke metall on läbipaistmatu valguse suhtes, nii et kaetud hõbe jätkaks valguse pinnaplasmone. Seejärel viidi hõbe energiat plaatina kattekihina nende vahel jagatud elektronide merre. Plaatina toodetud energeetilised elektronid ja positiivselt laetud aukude laengu kandjad, mis võiksid seejärel jätkata keemiliste reaktsioonide tekkimist selle pinnal.

Platinum on laialdaselt peetud "kõikide katalüsaatorite keisriks", mis muudab selle materjali plahvatusliku katalüüsiga huvitatud teadlaste jaoks ilmseliseks otstarbeks, ütles Aslam.

Kuid keegi ei suutnud seda enne teha, sest väga õhukese plaatinaplaadi hõbeda plaat on väga keeruline. Enamikul tingimustel kipub hõbe hõrenema, ütles Aslam. Nii et ta ja Chavez kohandasid reaktsioonitingimusi nii, et plaatina kattekiht tegi palju kiiremini kui purustamine.

Rühm näitas, et katalüsaator on peaaegu kahekordistunud määra, mille juures süsinikmonooksiidi saasteained vesinikus muutunud süsinikdioksiidiks, kui valgus oli võrreldes pimedas reaktsiooniga, mis põhineb ainult plaatinal. See muundamine on oluline vesiniku tootmisel metaanist, sest ülejäänud süsinikmonooksiid kallutab vesinikukütuseelementidel katalüsaatoreid.

Nad näitasid, et ei hõbeda nanokubusid üksi ega ka plaatina karbid, mis jäid hõbeda eemaldamise ajal happega, võivad toimida nagu plaatinaga kaetud kuubikud. Ikka Linic ja Aslam ettevaatlik, et need uued katalüsaatorid ei ole veel tööstuskeemia revolutsiooni järgijad.

"Just praegu on plasmioonikatalüüsist tekkiv valdkond, " ütles Aslam. "Selle katalüsaatori ettevalmistamiseks kulub rohkem, võrreldes tavaliste katalüsaatoritega."

Kuid nanoosakeste sünteesi edasiste edusammude ja ideede abil plasmoonikatalüsaatorite pakutava tõhususe suurendamiseks võivad need muuta keemiatööstuse keskkonnasäästlikumaks tulevikus.

Uuring on pealkirjaga "Energia voolu reguleerimine multimeedilistel nanostruktuuridel plasmoonkatalüüsi jaoks".

menu
menu