铝纳米粒子制造可调节的绿色催化剂

催化剂开辟了化学反应以更快、更有效的速度进行的途径，而新催化技术的开发是绿色能源转型的关键部分。

莱斯大学纳米技术先驱 Naomi Halas 实验室发现了一种变革性方法，通过在各种气体气氛中进行高温退火来利用铝纳米粒子的催化能力。

根据《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究，莱斯大学的研究人员和合作者表明，改变覆盖颗粒的氧化层的结构可以改变它们的催化性能，使它们成为一种多功能工具，可以根据需要进行定制。从可持续燃料的生产到水基反应的不同使用环境。

“铝是一种地球上储量丰富的金属，用于许多结构和技术应用，”该论文的主要作者、莱斯大学博士生亚伦·贝勒斯 (Aaron Bayles) 说。“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的这种天然氧化物层的结构是什么。这一直是阻碍铝纳米颗粒广泛应用的限制因素。”

由于表面等离激元共振，铝纳米粒子能够以惊人的效率吸收和散射光，这种现象描述了金属表面上电子响应特定波长的光而集体振荡的现象。与其他等离子体纳米颗粒一样，铝纳米晶核可以充当纳米级光学天线，使其成为光反应的有前景的催化剂。

“我们日常使用的几乎每种化学品、每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，”贝勒斯说。

“我们的最终目标是彻底改变催化作用，使其更容易获得、更高效、更环保，”莱斯大学教授、最高学术级别的哈拉斯说。“通过利用等离激元光催化的潜力，我们正在为更光明、更可持续的未来铺平道路。”

Halas 小组一直在开发用于等离激元光催化反应的铝纳米粒子，例如分解危险化学战剂和高效生产商品化学品。新发现的修饰铝纳米颗粒表面氧化物的能力进一步提高了它们作为催化剂的多功能性，有效地将光转化为化学能。

“如果你正在进行催化反应，你想要转化的物质的分子将与氧化铝层而不是铝金属核心相互作用，但金属纳米晶体核心能够非常有效地吸收光，并且将其转化为能量，而氧化物层则发挥反应器的作用，将能量转移给反应物分子，”贝勒斯说。

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——即在不同气体中将颗粒加热至高达 500 摄氏度(932 华氏度)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，”贝勒斯说。“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粒子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，”贝勒斯说，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。”

“进行这些处理相对容易，并且催化行为发生巨大变化，这令人惊讶，因为众所周知，氧化铝不具有反应性;它非常稳定，”贝勒斯说。“因此，对于更具反应性的物质，例如氧化钛或氧化铜，您可能会看到更大的影响。”