激光网3月6日消息，催化剂为化学反应以更快、更高效的速度展开开辟了途径，而开发新的催化技术是绿色能源转型的关键部分。
莱斯大学纳米技术先驱娜奥米·哈拉斯实验室发现了一种变革性的方法，通过在高温下在各种气体气氛中退火来利用铝纳米颗粒的催化能力。
根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，赖斯的研究人员和合作者表明，改变覆盖颗粒的氧化层的结构会改变它们的催化性能，使它们成为一种多功能工具，可以定制以适应从可持续燃料生产到水基反应的不同使用环境的需求。
“铝是一种富含地球的金属，用于许多结构和技术应用，”莱斯大学博士校友Aaron Bayles说，他是该论文的主要作者。“所有的铝都涂有表面氧化物，直到现在我们还不知道纳米颗粒上这种天然氧化层的结构是什么。这是阻碍铝纳米颗粒广泛应用的限制因素。
由于表面等离子体共振，铝纳米颗粒以显着的效率吸收和散射光，这种现象描述了金属表面电子响应特定波长的光的集体振荡。与其他等离子体纳米粒子一样，铝纳米晶体核心可以用作纳米级光学天线，使其成为光基反应的有前途的催化剂。
“我们日常使用的几乎所有化学品、每一种塑料都来自催化过程，其中许多催化过程依赖于铂、铑、钌等贵金属，”贝尔斯说。
“我们的最终目标是彻底改变催化，使其更容易获得，更高效和环保，”大学教授哈拉斯说，这是赖斯大学的最高学术级别。“通过利用等离子体光催化的潜力，我们正在为更光明、更可持续的未来铺平道路。”
Halas集团一直在开发用于等离子体光催化反应的铝纳米颗粒，例如危险化学战剂的分解和商品化学品的高效生产。新发现的改性铝纳米颗粒表面氧化物的能力进一步增加了它们的多功能性，可用作催化剂，有效地将光转化为化学能。
“如果你正在做催化反应，你想要转化的物质分子将与氧化铝层而不是铝金属芯相互作用，但金属纳米晶体芯独特地能够非常有效地吸收光并将其转化为能量，而氧化层则发挥了反应器的作用， 将能量转移到反应物分子上，“贝尔斯说。
纳米颗粒氧化物涂层的特性决定了它们如何与其他分子或材料相互作用。该研究阐明了铝纳米颗粒上这种天然氧化层的结构，并表明简单的热处理 - 即将颗粒加热到不同气体中高达500摄氏度的温度 - 可以改变其结构。
“晶相、颗粒内应变和缺陷密度都可以通过这种简单的方法进行修改，”Bayles说。“最初，我确信热处理没有任何作用，但结果让我感到惊讶。”
热处理的效果之一是使铝纳米颗粒更好地促进二氧化碳转化为一氧化碳和水。
“以这种方式改变氧化铝层会影响其催化性能，特别是对于光驱动的二氧化碳还原，这意味着纳米颗粒可用于生产可持续燃料，”Bayles说，他现在是国家可再生能源实验室的博士后研究员。
贝勒斯补充说，“使用丰富的铝代替贵金属的能力可能对应对气候变化产生巨大影响，并为其他材料的类似增强开辟了道路。
“进行这些处理并获得催化行为的重大变化相对容易，这令人惊讶，因为氧化铝是出了名的不反应性;它非常稳定，“贝尔斯说。“因此，对于反应性更强的东西，如氧化钛或氧化铜，你可能会看到更大的影响。
