Quando il chimico e ingegnere della Rice University Hossein Robatjazi decise di sposare un setaccio molecolare chiamato MOF con una nanoparticella plasmonica di alluminio due anni fa, non avrebbe mai immaginato che la chiave sarebbe stata lo stesso processo che la natura usa per pietrificare il legno.

In un nuovo articolo online questa settimana sulla rivista Progressi scientifici , Robatjazi e i coautori del Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) descrivono come la sostituzione pseudomorfa, lo stesso processo chimico che trasforma un albero in pietra, hanno aiutato la loro sintesi della prima struttura metallo-organica (MOF) attorno ai nanocatalizzatori di alluminio alimentati dalla luce.

I catalizzatori sono materiali che accelerano le reazioni chimiche senza reagire, e sono utilizzati nella produzione della maggior parte dei prodotti chimici prodotti commercialmente. Poiché la maggior parte dei catalizzatori industriali funziona meglio ad alta temperatura o alta pressione o entrambe, hanno anche un enorme carico di energia. La combinazione di MOF e alluminio plasmonico crea una nuova strada per la progettazione di catalizzatori più ecologici che utilizzano l'energia solare e sono realizzati con il metallo più abbondante nella crosta terrestre.

Nello studio, Robatjazi, La direttrice di LANP Naomi Halas e i suoi colleghi hanno eseguito una dimostrazione di principio di un processo noto come reazione inversa di spostamento acqua-gas a temperatura e pressione ambiente in condizioni di laboratorio che simulavano la luce solare. La reazione trasforma l'anidride carbonica (CO2) e il gas idrogeno in monossido di carbonio, una materia prima per la produzione chimica, e acqua.

"Questo è il primo esempio che mostra che è possibile combinare MOF e particelle di alluminio per fare questa reazione con la luce, " ha detto Robatjazi, uno studente laureato alla LANP, il laboratorio Rice che ha aperto la strada alle tecnologie plasmoniche per applicazioni diverse come la diagnosi e il trattamento del cancro, Mezzi di contrasto per risonanza magnetica e distillazione solare dell'acqua.

I plasmoni sono onde di elettroni che si muovono sulla superficie di minuscole nanoparticelle metalliche, e variando la forma e le dimensioni di una nanoparticella plasmonica, Gli scienziati di LANP possono sintonizzarlo per interagire e raccogliere energia dalla luce. In precedenti ricerche, LANP ha dimostrato nanocatalizzatori di rame per produrre idrogeno a combustione pulita dall'ammoniaca, e reattori d'antenna a base di alluminio per la produzione di etilene, la materia prima chimica per il polietilene, la plastica più comune al mondo.

Halas ha affermato che l'ultimo lavoro con i MOF è importante per diversi motivi.

"Abbiamo dimostrato che la crescita di MOF attorno ai nanocristalli di alluminio migliora l'attività fotocatalitica delle particelle di alluminio e ci fornisce anche un nuovo modo di controllare le dimensioni, e quindi le caratteristiche plasmoniche, delle particelle stesse, "Halas ha detto. "Finalmente, abbiamo dimostrato che lo stesso metodo di base funziona per creare diversi tipi di MOF".

I MOF sono strutture tridimensionali che si autoassemblano quando gli ioni metallici interagiscono con molecole organiche chiamate linker. Le strutture sono altamente porose, come un pan di spagna o un formaggio svizzero. Solo un grammo di alcuni MOF ha una superficie più grande di un campo da calcio, e variando il tipo di metallo, il linker e le condizioni di reazione, i chimici possono progettare MOF con strutture diverse, dimensioni e funzioni dei pori, come intrappolare molecole specifiche. più di 20, Sono stati realizzati 000 tipi di MOF.

Nei primi esperimenti di Robatjazi, ha tentato di far crescere MIL-53, un MOF ben studiato che è noto per la sua capacità di intrappolare la CO2. Ha provato metodi di sintesi che avevano funzionato per far crescere MOF attorno a particelle d'oro, ma hanno fallito per l'alluminio, e Robatjazi sospettava che la colpa fosse dell'ossido di alluminio.

A differenza dell'oro, l'alluminio è altamente reattivo con l'ossigeno, e ogni nanoparticella di alluminio si ricopre istantaneamente di una sottile lucentezza da 2 a 4 nanometri di ossido di alluminio nel momento in cui entra in contatto con l'aria.

"È amorfo, "Robatjazi ha detto. "Non è come una superficie piana con una cristallinità ben definita. È come una strada accidentata, e i cristalli MOF non potrebbero creare una struttura su quella superficie."

Guardando alla letteratura chimica, Robatjazi ha avuto l'idea di lasciare che la sostituzione dei minerali pseudomorfici svolgesse il lavoro sia di preparare la superficie delle particelle per accettare i MOF sia di fornire i mattoni per la costruzione dei MOF.

"Abbiamo imparato da Madre Natura, e fondamentalmente usiamo la stessa strategia perché l'ossido di alluminio è un minerale, " ha detto. "Normalmente per i MOF, mescoliamo uno ione metallico con il linker organico, e in questo caso abbiamo eliminato lo ione metallico e invece abbiamo sciolto l'ossido di alluminio e utilizzato gli ioni di alluminio di quella reazione come componenti metallici del nostro MOF."

Variando le condizioni di reazione, Robatjazi ha scoperto di poter controllare quanta parte della superficie di alluminio ha inciso, e quindi controllare la dimensione finale - e le proprietà plasmoniche - della particella plasmonica all'interno. Per MIL-53, il MOF che intrappola la CO2, ha mostrato che l'attività catalitica del nanocristallo di alluminio plasmonico aumentava sostanzialmente quando il MOF era a posto.

Finalmente, ha dimostrato di poter utilizzare lo stesso metodo di incisione con diversi linker, realizzare MOF con varie dimensioni dei pori e altre proprietà, compresa una varietà idrofila che manteneva l'acqua lontana dalla particella di alluminio all'interno.

"Stiamo esplorando strade per mettere a punto le caratteristiche delle strutture in alluminio-MOF, sia per variazione sintetica che per modifica post-sintesi, "Halas ha detto. "Questa flessibilità potrebbe aprire una serie di opportunità per aumentare le reazioni chimiche mediate da plasmoni che sono sia meno costose per l'industria che migliori per l'ambiente".