Форма имеет значение. Наночастицы

В сравнительном исследовании аспиранты LANP Лин Юань и Минхан Лу и их коллеги изучали наночастицы алюминия с идентичными оптическими свойствами, но разной формы. У наиболее закругленных было 14 граней и 24 тупых острия. Другой имел форму куба с шестью сторонами и восемью углами под углом 90 градусов. Третья, которую команда назвала «осьминог», также имела шесть сторон, но каждый из ее восьми углов заканчивался заостренным концом.

Все три разновидности обладают способностью улавливать энергию света и периодически выделять ее в виде сверхэнергетических горячих электронов, которые могут ускорить каталитические реакции. Юань, химик из исследовательской группы, директор LANP Наоми Халас, провели эксперименты, чтобы увидеть, насколько хорошо каждая из частиц работает как фотокатализатор реакции диссоциации водорода. Испытания показали, что у осьминогов скорость реакции в 10 раз выше, чем у 14-сторонних нанокристаллов, и в пять раз выше, чем у нанокубов. Осьминоги также имели более низкую кажущуюся энергию активации, примерно на 45% ниже, чем у нанокубов, и на 49% ниже, чем у нанокристаллов.

«Эксперименты показали, что более острые углы увеличивают эффективность», — сказал Юань, соавтор исследования. «У осьминогов угол составляет около 60 градусов, по сравнению с 90 градусами для кубов и более закругленных точек на нанокристаллах. Таким образом, чем меньше угол, тем больше эффективность реакции. Но насколько малым может быть угол. Он ограничен химическим синтезом. Это монокристаллы, которые предпочитают определенные структуры. Вы не можете сделать бесконечно большую резкость «.

Лу, физик и соавтор исследования в исследовательской группе Питера Нордландера из LANP, проверил результаты каталитических экспериментов, разработав теоретическую модель процесса передачи энергии горячих электронов между активируемыми светом наночастицами алюминия и молекулами водорода.

«Мы вводим длину волны света и форму частицы», — сообщил Лу. «Используя эти два аспекта, мы можем точно предсказать, какая форма даст лучший катализатор».

Работа является частью продолжающихся усилий LANP по разработке коммерчески жизнеспособных светоактивируемых нанокатализаторов, которые могут вводить энергию в химические реакции с хирургической точностью. LANP ранее демонстрировала катализаторы для производства этилена и синтез-газа, расщепления аммиака для производства водородного топлива и для разрушения «вечных химикатов».

«Это исследование показывает, что форма фотокатализатора — еще один элемент дизайна, который инженеры могут использовать для того, чтобы создавать фотокатализаторы с более высокими скоростями реакции и более низкими активационными барьерами «, — сказал Халас, профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли С. Мура из Райса, директор Института Смолли-Керла Райса и профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, а также материаловедения и наноинженерии.