I catalizzatori aprono percorsi che permettono alle reazioni chimiche di svolgersi a ritmi più rapidi ed efficienti, e lo sviluppo di nuove tecnologie catalitiche è una parte fondamentale della transizione verso l'energia verde.
Il laboratorio della pioniera delle nanotecnologie Naomi Halas della Rice University ha scoperto un approccio trasformativo per sfruttare il potere catalitico delle nanoparticelle di alluminio ricotturandole in varie atmosfere gassose ad alte temperature.
Secondo uno studio pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences , Ricercatori e collaboratori della Rice hanno dimostrato che il cambiamento della struttura dello strato di ossido che riveste le particelle ne modifica le proprietà catalitiche, rendendole uno strumento versatile che può essere adattato per soddisfare le esigenze di diversi contesti di utilizzo, dalla produzione di combustibili sostenibili all'acqua. reazioni basate.
"L'alluminio è un metallo abbondante sulla terra, utilizzato in molte applicazioni strutturali e tecnologiche", ha affermato Aaron Bayles, un allievo del dottorato della Rice e autore principale dell'articolo. "Tutto l'alluminio è rivestito con un ossido superficiale e fino ad ora non sapevamo quale fosse la struttura di questo strato di ossido nativo sulle nanoparticelle. Questo è stato un fattore limitante che ha impedito l'applicazione diffusa delle nanoparticelle di alluminio."
Le nanoparticelle di alluminio assorbono e diffondono la luce con notevole efficienza grazie alla risonanza plasmonica superficiale, un fenomeno che descrive l'oscillazione collettiva degli elettroni sulla superficie metallica in risposta alla luce di specifiche lunghezze d'onda. Come altre nanoparticelle plasmoniche, il nucleo di nanocristalli di alluminio può funzionare come un'antenna ottica su scala nanometrica, rendendolo un promettente catalizzatore per reazioni basate sulla luce.
"Quasi ogni sostanza chimica, ogni plastica che utilizziamo quotidianamente, proviene da un processo catalitico e molti di questi processi catalitici si basano su metalli preziosi come platino, rodio, rutenio e altri", ha affermato Bayles.
"Il nostro obiettivo finale è rivoluzionare la catalisi, rendendola più accessibile, efficiente e rispettosa dell'ambiente", ha affermato Halas, professore universitario, il più alto grado accademico della Rice. "Sfruttando il potenziale della fotocatalisi plasmonica, stiamo aprendo la strada a un futuro più luminoso e sostenibile."
Il gruppo Halas ha sviluppato nanoparticelle di alluminio per reazioni di fotocatalisi plasmonica come la decomposizione di pericolosi agenti di guerra chimica e la produzione efficiente di prodotti chimici di base. La capacità recentemente scoperta di modificare gli ossidi superficiali sulle nanoparticelle di alluminio aumenta ulteriormente la loro versatilità per l'uso come catalizzatori per convertire in modo efficiente la luce in energia chimica.
"Se stai effettuando una reazione catalitica, le molecole della sostanza che stai cercando di trasformare interagiranno con lo strato di ossido di alluminio piuttosto che con il nucleo metallico di alluminio, ma quel nucleo metallico di nanocristalli è l'unico in grado di assorbire la luce in modo molto efficiente e convertirlo in energia, mentre lo strato di ossido svolge il ruolo di un reattore, trasferendo l'energia alle molecole reagenti," ha detto Bayles.
Le proprietà del rivestimento di ossido delle nanoparticelle determinano il modo in cui interagiscono con altre molecole o materiali. Lo studio chiarisce la struttura di questo strato di ossido nativo sulle nanoparticelle di alluminio e mostra che semplici trattamenti termici, ovvero il riscaldamento delle particelle a temperature fino a 500 gradi Celsius (932 Fahrenheit) in diversi gas, possono modificarne la struttura.
"La fase cristallina, la deformazione intraparticellare e la densità dei difetti possono essere tutti modificati da questo approccio semplice", ha affermato Bayles. "All'inizio ero convinto che i trattamenti termici non facessero nulla, ma i risultati mi hanno sorpreso."
Uno degli effetti dei trattamenti termici è stato quello di rendere le nanoparticelle di alluminio più capaci di facilitare la conversione dell'anidride carbonica in monossido di carbonio e acqua.
"Cambiare lo strato di allumina in questo modo influenza le sue proprietà catalitiche, in particolare per la riduzione dell'anidride carbonica guidata dalla luce, il che significa che le nanoparticelle potrebbero essere utili per produrre combustibili sostenibili", ha affermato Bayles, che ora è ricercatore post-dottorato presso il National Renewable Energy Laboratory. .
Bayles ha aggiunto che la capacità "di utilizzare abbondante alluminio al posto dei metalli preziosi potrebbe avere un enorme impatto per combattere il cambiamento climatico e aprire la strada allo stesso miglioramento di altri materiali."
"È stato relativamente facile eseguire questi trattamenti e ottenere grandi cambiamenti nel comportamento catalitico, il che è sorprendente perché l'ossido di alluminio è notoriamente non reattivo; è molto stabile", ha detto Bayles. "Quindi, per qualcosa che è un po' più reattivo, come l'ossido di titanio o l'ossido di rame, potresti vedere effetti ancora più grandi."
Ulteriori informazioni: Aaron Bayles et al, Adattamento dell'ossido superficiale di nanocristalli di alluminio per fotocatalizzatori plasmonici con reattore ad antenna interamente basati su alluminio, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2321852121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dalla Rice University
