23.09.2020 - Rice University

La forma importa para los nanocatalizadores activados por la luz

Las puntas puntiagudas de los 'octopods' de aluminio aumentan la reactividad catalítica

Los puntos importan cuando se diseñan nanopartículas que impulsan importantes reacciones químicas utilizando el poder de la luz.

Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice (LANP) saben desde hace tiempo que la forma de una nanopartícula afecta a la forma en que interactúa con la luz, y su último estudio muestra cómo la forma afecta a la capacidad de una partícula para utilizar la luz para catalizar importantes reacciones químicas.

En un estudio comparativo, los estudiantes graduados de LANP Lin Yuan y Minhan Lou y sus colegas estudiaron las nanopartículas de aluminio con propiedades ópticas idénticas pero con formas diferentes. Las más redondeadas tenían 14 lados y 24 puntas romas. Otra tenía forma de cubo, con seis lados y ocho esquinas de 90 grados. La tercera, que el equipo apodó "pulpo", también tenía seis lados, pero cada una de sus ocho esquinas terminaba en una punta puntiaguda.

Las tres variedades tienen la capacidad de capturar la energía de la luz y liberarla periódicamente en forma de electrones calientes superenergéticos que pueden acelerar las reacciones catalíticas. Yuan, un químico del grupo de investigación de la directora del LANP, Naomi Halas, llevó a cabo experimentos para ver cómo cada una de las partículas se comportaba como fotocatalizador en la reacción de disociación del hidrógeno. Las pruebas mostraron que los pulpos tenían una velocidad de reacción 10 veces mayor que los nanocristales de 14 lados y cinco veces mayor que los nanocubos. Los octopodos también tenían una energía de activación aparente más baja, alrededor de un 45% más baja que los nanocubos y un 49% más baja que los nanocristales.

"Los experimentos demostraron que las esquinas más afiladas aumentan la eficiencia", dijo Yuan, co-autor principal del estudio, que se publica en la revista de la Sociedad Americana de Química ACS Nano. "Para los pulpos, el ángulo de las esquinas es de unos 60 grados, en comparación con los 90 grados de los cubos y las puntas más redondeadas de los nanocristales. Así que cuanto más pequeño es el ángulo, mayor es el aumento de la eficiencia de la reacción. Pero lo pequeño que puede ser el ángulo está limitado por la síntesis química. Estos son cristales simples que prefieren ciertas estructuras. No se puede hacer infinitamente más nítido".

Lou, un físico y co-autor de estudio en el grupo de investigación de Peter Nordlander del LANP, verificó los resultados de los experimentos catalíticos desarrollando un modelo teórico del proceso de transferencia de energía de electrones calientes entre las nanopartículas de aluminio activadas por la luz y las moléculas de hidrógeno.

"Introducimos la longitud de onda de la luz y la forma de las partículas", dijo Lou. "Usando estos dos aspectos, podemos predecir con precisión qué forma producirá el mejor catalizador".

La investigación se basa en los esfuerzos de LANP para desarrollar métodos de síntesis química de nanopartículas de aluminio de diferentes formas y tamaños.

El trabajo es parte de un esfuerzo de química verde en curso de LANP para desarrollar nanocatalizadores activados por luz comercialmente viables que puedan insertar energía en reacciones químicas con precisión quirúrgica. LANP ha demostrado previamente catalizadores para la producción de etileno y gas de síntesis, la separación de amoníaco para producir combustible de hidrógeno y para separar "químicos para siempre".

"Este estudio muestra que la forma del fotocatalizador es otro elemento de diseño que los ingenieros pueden utilizar para crear fotocatalizadores con las mayores tasas de reacción y las menores barreras de activación", dijo Halas, Profesor de Ingeniería Eléctrica y Computacional Stanley C. Moore de Rice, director del Instituto Smalley-Curl de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de los materiales y nanoingeniería.

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