Un'interazione esotica tra luce e metallo può essere sfruttata per rendere le reazioni chimiche più sostenibili, ma la fisica dietro di esso è stata ampiamente dibattuta sul campo.

Ora, uno studio dell'Università del Michigan ha mostrato come un metallo che raccoglie la luce trasferisce energia a un metallo catalitico, aprendo la strada a migliori progetti di catalizzatori.

I catalizzatori sono mediatori di reazioni chimiche:possono far accadere reazioni a temperature più basse, riducendo l'energia necessaria, e possono anche dare un vantaggio a un percorso di reazione desiderato, producendo più sostanze chimiche target e meno rifiuti.

Un nuovo tipo di catalizzatore può essere prodotto dai cosiddetti metalli plasmonici che sono bravi a catturare la luce, ma non sono eccezionali nel guidare le reazioni. Per migliorare la loro efficacia, i ricercatori li hanno infarciti di materiali che sono catalizzatori migliori, migliorare le reazioni legate alla produzione di carburante e ai prodotti domestici comuni come il dentifricio, Per esempio.

"La difficoltà con gli esperimenti precedenti era che c'erano molte diverse superfici esposte, quindi diventa molto difficile interpretare i risultati a causa della complessità delle nanoparticelle, "ha detto Umar Aslam, Studente di dottorato in ingegneria chimica,

Ora, Aslam e i suoi colleghi del gruppo di ricerca di Suljo Linic, professore di ingegneria chimica e pioniere della catalisi plasmonica, hanno mostrato come si muove l'energia. Piuttosto che elettroni energetici che saltano dal catturatore di luce al catalizzatore, il metallo plasmonico si comporta più come un'antenna radio, con il catalizzatore come ricevitore, ha detto Aslam.

Il loro esperimento, pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura , è stato il primo a dimostrare in modo convincente che questo meccanismo è all'opera.

"Abbiamo descritto come le nanostrutture plasmoniche spostano l'energia della luce verso i siti cataliticamente attivi, " ha detto Linic. "Abbiamo poi dimostrato come questo meccanismo può essere sfruttato per progettare catalizzatori molto efficienti e selettivi".

La selettività è apprezzata perché riduce le reazioni "laterali" indesiderate che producono rifiuti.

Rame, argento e oro sono noti per le loro proprietà plasmoniche, o la loro capacità di catturare l'energia della luce visibile sotto forma di onde nei loro elettroni di superficie, chiamati plasmoni di superficie.

Nell'esperimento, Aslam e Steven Chavez, anche uno studente di dottorato in ingegneria chimica, prodotto nanocubi d'argento, circa 75 nanometri (milionesimi di centimetro) per lato. Quindi li hanno rivestiti con platino di appena un nanometro di spessore.

Il metallo così sottile è essenzialmente trasparente alla luce, così l'argento rivestito ha continuato a trasformare la luce in plasmoni di superficie. L'argento ha poi incanalato l'energia al rivestimento di platino attraverso il mare di elettroni condivisi tra loro. Il platino ha prodotto elettroni energetici e lacune caricate positivamente, portatori di carica che potrebbero poi continuare a causare reazioni chimiche sulla sua superficie.

Il platino è ampiamente considerato "l'imperatore di tutti i catalizzatori, " che rende questo materiale una scelta ovvia per i ricercatori interessati alla catalisi plasmonica, ha detto Aslam.

Eppure nessuno era stato in grado di farlo prima perché è molto difficile convincere un sottile film di platino sull'argento. Nella maggior parte delle condizioni, l'argento tende ad appannarsi, ha detto Aslam. Quindi lui e Chavez hanno ottimizzato le condizioni di reazione in modo che il rivestimento di platino avvenisse molto più velocemente dell'appannamento.

Il gruppo ha dimostrato che il catalizzatore ha quasi raddoppiato la velocità con cui i contaminanti del monossido di carbonio nell'idrogeno si sono trasformati in anidride carbonica quando la luce era accesa, rispetto alla reazione al buio, che si basa solo sul platino. Questa conversione è importante nella produzione di idrogeno da metano, poiché il monossido di carbonio residuo fa esplodere i catalizzatori nelle celle a combustibile a idrogeno.

Hanno dimostrato che né i nanocubi d'argento da soli, né i gusci cubici di platino rimasti quando l'argento è stato rimosso dall'acido, potevano funzionare come i cubi rivestiti di platino. Ancora, Linic e Aslam avvertono che questi nuovi catalizzatori non sono ancora precursori di una rivoluzione nella chimica industriale.

"Proprio adesso, la catalisi plasmonica è un campo nascente, " Ha detto Aslam. "Costa di più preparare un catalizzatore come questo rispetto ai catalizzatori convenzionali".

Ma con i continui progressi nella sintesi delle nanoparticelle e le idee per migliorare ulteriormente i guadagni di efficienza offerti dai catalizzatori plasmonici, potrebbero rendere l'industria chimica più verde in futuro.

Lo studio è intitolato "Controllo del flusso di energia nelle nanostrutture multimetalliche per la catalisi plasmonica".