Un graphique illustrant la méthode de synthèse qui commence avec des nanocristaux d'aluminium recouverts d'oxyde (en haut à gauche) et se termine par le nanocristal enfermé dans une structure métal-organique (MOF). Le MOF s'auto-assemble autour de la particule lorsque l'oxyde se dissout partiellement, libérant des ions d'aluminium qui se lient à des lieurs organiques pour former un cadre 3D. (Image avec l'aimable autorisation de LANP/Rice University) Crédit :LANP/Rice University
Lorsque le chimiste et ingénieur de l'Université Rice Hossein Robatjazi a entrepris de marier un tamis moléculaire appelé MOF à une nanoparticule d'aluminium plasmonique il y a deux ans, il n'aurait jamais imaginé que la clé serait le même processus que la nature utilise pour pétrifier le bois.
Dans un nouvel article en ligne cette semaine dans le journal Avancées scientifiques , Robatjazi et ses co-auteurs du Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) décrivent comment le remplacement pseudomorphique, le même processus chimique qui transforme un arbre en pierre, aidé leur synthèse du premier cadre métal-organique (MOF) autour de nanocatalyseurs en aluminium alimentés par la lumière.
Les catalyseurs sont des matériaux qui accélèrent les réactions chimiques sans réagir eux-mêmes, et ils sont utilisés dans la fabrication de la plupart des produits chimiques produits commercialement. Parce que la plupart des catalyseurs industriels fonctionnent mieux à haute température ou haute pression ou les deux, ils viennent également avec une énorme charge énergétique. La combinaison des MOF et de l'aluminium plasmonique crée une nouvelle voie pour la conception de catalyseurs plus écologiques qui utilisent l'énergie solaire et sont fabriqués à partir du métal le plus abondant de la croûte terrestre.
Dans l'étude, Robatjazi, La directrice du LANP, Naomi Halas, et ses collègues ont effectué une démonstration de principe d'un processus connu sous le nom de réaction inverse de déplacement eau-gaz à température et pression ambiantes dans des conditions de laboratoire simulant la lumière du soleil. La réaction transforme le dioxyde de carbone (CO2) et l'hydrogène gazeux en monoxyde de carbone, une matière première pour la fabrication de produits chimiques, et en eau.
"C'est le premier exemple montrant que vous pouvez combiner des particules de MOF et d'aluminium pour faire cette réaction avec la lumière, " dit Robatjazi, un étudiant diplômé au LANP, le laboratoire Rice qui a été le pionnier des technologies plasmoniques pour des applications aussi diverses que le diagnostic et le traitement du cancer, Agents de contraste IRM et distillation solaire de l'eau.
Les plasmons sont des vagues d'électrons qui balayent la surface de minuscules nanoparticules métalliques, et en faisant varier la forme et la taille d'une nanoparticule plasmonique, Les scientifiques du LANP peuvent le régler pour interagir avec la lumière et la récupérer. Dans des recherches antérieures, LANP a démontré des nanocatalyseurs de cuivre pour fabriquer de l'hydrogène à combustion propre à partir d'ammoniac, et des antennes-réacteurs à base d'aluminium pour la fabrication d'éthylène, la matière première chimique du polyéthylène, le plastique le plus répandu au monde.
L'étudiant diplômé Hossein Robatjazi et ses collègues du Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice ont combiné un tamis moléculaire de piégeage de gaz appelé cadre métal-organique, ou MOF, avec des nanocristaux d'aluminium photocatalytiques. (Photo de Jeff Fitlow/Rice University) Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
Halas a déclaré que les derniers travaux avec les MOF sont importants pour plusieurs raisons.
"Nous avons montré que la croissance de MOF autour de nanocristaux d'aluminium améliore l'activité photocatalytique des particules d'aluminium et nous fournit également un nouveau moyen de contrôler la taille, et donc les caractéristiques plasmoniques, des particules elles-mêmes, " dit Halas. " Enfin, nous avons montré que la même méthode de base fonctionne pour créer différents types de MOF."
Les MOF sont des structures tridimensionnelles qui s'auto-assemblent lorsque des ions métalliques interagissent avec des molécules organiques appelées lieurs. Les structures sont très poreuses, comme une éponge ou du fromage suisse. Juste un gramme de certains MOF ont une surface plus grande qu'un terrain de football, et en variant le type de métal, le lieur et les conditions de réaction, les chimistes peuvent concevoir des MOF avec différentes structures, tailles et fonctions des pores, comme piéger des molécules spécifiques. Plus de 20, 000 types de MOF ont été fabriqués.
Dans les premières expériences de Robatjazi, il a tenté de faire pousser du MIL-53, un MOF bien étudié qui est connu pour sa capacité de piégeage du CO2. Il a essayé des méthodes de synthèse qui avaient fonctionné pour la croissance de MOF autour de particules d'or, mais ils ont échoué pour l'aluminium, et Robatjazi soupçonnait que l'oxyde d'aluminium était à blâmer.
Contrairement à l'or, l'aluminium est très réactif avec l'oxygène, et chaque nanoparticule d'aluminium est instantanément recouverte d'une fine couche d'oxyde d'aluminium de 2 à 4 nanomètres au moment où elle entre en contact avec l'air.
"C'est amorphe, " a déclaré Robatjazi. " Ce n'est pas comme une surface plane avec une cristallinité bien définie. C'est comme une route cahoteuse, et les cristaux MOF n'ont pas pu créer une structure sur cette surface."
En regardant la littérature chimique, Robatjazi a eu l'idée de laisser le remplacement de minéraux pseudomorphiques faire le travail à la fois de préparer la surface des particules pour accepter les MOF et de fournir les blocs de construction métalliques pour les MOF.
"Nous avons appris de Mère Nature, et nous utilisons essentiellement la même stratégie parce que l'oxyde d'aluminium est un minéral, " a-t-il dit. " Normalement pour les MOF, on mélange un ion métallique avec le linker organique, et dans ce cas, nous avons éliminé l'ion métallique et à la place dissous l'oxyde d'aluminium et utilisé les ions aluminium de cette réaction comme composants métalliques de notre MOF.
En faisant varier les conditions de réaction, Robatjazi a découvert qu'il pouvait contrôler la quantité de surface d'aluminium qu'il avait gravée, et ainsi contrôler la taille finale - et les propriétés plasmoniques - de la particule plasmonique à l'intérieur. Pour MIL-53, le MOF piégeant le CO2, il a montré que l'activité catalytique du nanocristal d'aluminium plasmonique augmentait considérablement lorsque le MOF était en place.
Finalement, il a démontré qu'il pouvait utiliser la même méthode de gravure avec différents linkers, faire des MOF avec des tailles de pores variées et d'autres propriétés, y compris une variété hydrophile qui éloignait l'eau de la particule d'aluminium à l'intérieur.
"Nous explorons des pistes pour affiner les caractéristiques des structures aluminium-MOF, soit par variation synthétique ou modification post-synthèse, " a déclaré Halas. " Cette flexibilité pourrait ouvrir une gamme d'opportunités pour l'intensification des réactions chimiques à médiation plasmonique qui sont à la fois moins coûteuses pour l'industrie et meilleures pour l'environnement. "
