2018-10-05 03:00:02
团队详细介绍了等离子体效应,这种效应允许催化剂以较低的能量工作

莱斯大学的纳米科学家已经证明了一种新的催化剂,它可以在环境压力下仅使用光能将氨转化为氢燃料,这主要是由于等离子体效应使得催化剂更有效。

赖斯纳米光子学实验室( LANP )在本周的《科学》杂志上的一项研究描述了这种新型催化纳米粒子,主要由铜和微量钌金属制成。测试表明,这种催化剂得益于光诱导的电子过程,该过程显著降低了钌分解氨分子所需的“活化屏障”或最小能量。

这项研究是在政府和工业界投资数十亿美元开发无碳液氨燃料的基础设施和市场之际进行的,这不会导致温室效应。但是研究人员说,等离子体效应可能会产生“氨经济”以外的影响。"

LANP主任Naomi Halas说:“减少催化活化障碍的通用方法对许多经济部门都有影响,因为催化剂被用于制造大多数商业生产的化学品。”Naomi Halas是一名化学家和工程师,他花了25年多时间率先使用光活化纳米材料。“如果在我们的合成中,其他催化金属可以取代钌,这些等离子体激元的好处可以应用于其他化学转化,使它们更具可持续性,也更便宜。"

催化剂是加速化学反应而不使自身反应的材料。一个日常的例子是减少汽车尾气有害排放的催化转换器。化学生产商每年在催化剂上花费数十亿美元,但是大多数工业催化剂在高温高压下工作得最好。氨的分解是一个很好的例子。每分子氨含有一个氮原子和三个氢原子。钌催化剂被广泛用于分解氨并产生氢气( H2 )和氮气( N2 ),氢气是唯一的副产品,氮气占地球大气的78 %。

该过程从氨粘附或吸附到钌开始,随着氨中的键一个接一个地断裂,该过程进行了一系列步骤。留下的氢和氮原子抓住伴侣,然后从钌表面离开或解吸。这最后一步被证明是最关键的,因为氮对钌有很强的亲和力,并且喜欢留下来,这阻碍了表面吸引其他氨分子。为了赶走它,必须给系统增加更多的能量。

这项科学研究的主要作者、研究生周利南说,LANP的铜钌催化剂的效率来自光诱导电子过程,该过程在钌反应位点产生局部能量,有助于脱附。

这一过程被称为“热载流子驱动的光催化”,起源于电子海洋,这些电子不断地在铜纳米粒子中回旋。一些波长的入射光与电子海洋共振,并建立了称为局部表面等离子共振的有节奏的振荡。LANP已经开创了越来越多的利用等离子共振的技术,用于各种应用,如变色玻璃、分子传感、癌症诊断和治疗以及太阳能收集。

2011年,LANP的Peter Nordlander,世界领先的纳米粒子等离子体学理论专家之一,Halas和他的同事们展示了等离子体激元可以用来增加被称为“热载流子”的短寿命高能电子的数量,这些电子是在光撞击金属时产生的。2016年,包括Dayne Swearer在内的一个LANP团队,也是本周研究的合著者,展示了等离子体纳米粒子可以与“天线-反应器”设计中的催化剂结合,其中等离子体纳米粒子充当天线来捕获光能,并通过近场光学效应将其转移到附近的催化反应器中。

“那是第一代,”周谈到天线反应堆时说。“主要的催化作用来自天线吸收光时产生的近场。这种近场驱动相邻反应器中的振荡,然后产生热载流子。但是如果我们能有热载体直接到达反应器并推动反应,那将会更有效。"

化学家周花了几个月时间精制铜钌纳米粒子的合成,这种纳米粒子比红细胞小得多。每个纳米粒子包含数万个铜原子,但只有几千个钌原子,它们取代了粒子表面的一些铜原子。

Swearer说:“基本上,有钌原子散布在铜原子的海洋中,是铜原子吸收了光,它们的电子一起来回晃动。”“一旦这些电子中的一些通过称为非辐射等离子体衰变的量子过程获得足够的能量,它们就可以定位在钌位点内并增强催化反应。

Swearer说:“室温约为300开尔文,等离子共振可以将这些热电子的能量提高到10,000开尔文,因此当它们位于钌上时,这些能量可以用来破坏分子中的键,有助于吸附,更重要的是有助于脱附。”

就像一个阳光明媚的下午,一张金属野餐桌子变热一样,白色的激光——在周的实验中是阳光的替代品——也导致铜钌催化剂变热。因为没有办法直接测量粒子中产生了多少热载体,所以周使用了一台热感相机,花了几个月的时间进行细致的测量,将热载体引起的催化效应和热载体引起的催化效应区分开来。

“大约20 %的光能被捕获用于氨分解,”周说。“这很好,我们认为我们可以改进这一点,制造更高效的催化剂。"

周和Halas说,研究小组已经在进行后续实验,看看其他催化金属是否可以取代钌,初步结果是有希望的。

Halas说:“现在我们已经了解了热载流子在等离子体介导的光化学中的特殊作用,这为设计用于特定应用的节能等离子体光催化剂奠定了基础。”

其他合著者包括张超、侯赛因·罗巴特贾兹、亓航·赵、卢克·亨德森和亮亮·董,都是赖斯;加州大学圣巴巴拉分校的菲利普·克里斯托弗;普林斯顿大学的艾米莉·卡特。

halas是赖斯的斯坦利·摩尔电气和计算机工程教授,化学、生物工程、物理和天文学以及材料科学和纳米工程教授。诺德兰德是威斯教授,物理和天文学教授,电气和计算机工程教授,材料科学和纳米工程教授。

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