Umar Aslam scrute la source lumineuse utilisée lors des expériences qui ont révélé comment les nanocubes d'argent capturaient l'énergie et la transmettaient aux coquilles de platine. Crédit :Akhil Kantipuly, Ingénierie du Michigan
Une interaction exotique entre la lumière et le métal peut être exploitée pour rendre les réactions chimiques plus durables, mais la physique derrière cela a été largement débattue sur le terrain.
Maintenant, une étude de l'Université du Michigan a montré comment un métal récupérateur de lumière transfère de l'énergie à un métal catalytique, ouvrant la voie à de meilleures conceptions de catalyseurs.
Les catalyseurs sont des médiateurs de réactions chimiques :ils peuvent provoquer des réactions à des températures plus basses, réduire l'énergie nécessaire, et ils peuvent également donner un avantage à une voie de réaction souhaitée, produisant plus du produit chimique cible et moins de déchets.
Un nouveau type de catalyseur peut être fabriqué à partir de métaux dits plasmoniques qui captent bien la lumière, mais ils ne sont pas formidables pour guider les réactions. Pour améliorer leur efficacité, les chercheurs les ont parsemés de matériaux qui sont de meilleurs catalyseurs, améliorer les réactions liées à la production de carburant et aux produits ménagers courants comme le dentifrice, par exemple.
"La difficulté avec les expériences précédentes était qu'il y avait de nombreuses surfaces exposées différentes, il devient donc très difficile d'interpréter vos résultats en raison de la complexité des nanoparticules, " a déclaré Umar Aslam, Doctorant U-M en génie chimique,
Maintenant, Aslam et ses collègues du groupe de recherche de Suljo Linic, professeur de génie chimique et pionnier de la catalyse plasmonique, ont montré comment l'énergie se déplace. Plutôt que des électrons énergétiques sautant du capteur de lumière au catalyseur, le métal plasmonique agit plutôt comme une antenne radio, avec le catalyseur comme récepteur, dit Aslam.
Leur expérience, publié dans la revue Nature Nanotechnologie , a été le premier à montrer de manière convaincante que ce mécanisme est à l'œuvre.
"Nous avons décrit comment les nanostructures plasmoniques déplacent l'énergie de la lumière vers les sites catalytiquement actifs, " a déclaré Linic. " Nous avons ensuite démontré comment ce mécanisme peut être exploité pour concevoir des catalyseurs très efficaces et sélectifs. "
La sélectivité est appréciée car elle réduit les réactions « secondaires » indésirables qui produisent des déchets.
Nanocubes d'argent recouverts de platine. Crédit :Umar Aslam
Le cuivre, l'argent et l'or sont connus pour leurs propriétés plasmoniques, ou leur capacité à capter l'énergie de la lumière visible sous forme d'ondes dans leurs électrons de surface, appelés plasmons de surface.
Dans l'expérience, Aslam et Steven Chavez, également doctorant en génie chimique, a produit des nanocubes d'argent, environ 75 nanomètres (millionièmes de centimètre) de côté. Ils les ont ensuite recouverts de platine d'une épaisseur d'un nanomètre seulement.
Un métal aussi fin est essentiellement transparent à la lumière, ainsi l'argent enduit a continué à transformer la lumière en plasmons de surface. L'argent a ensuite canalisé l'énergie vers le revêtement de platine à travers la mer d'électrons partagés entre eux. Le platine produisait des électrons énergétiques et des trous chargés positivement, des porteurs de charge qui pouvaient ensuite provoquer des réactions chimiques à sa surface.
Le platine est largement considéré comme "l'empereur de tous les catalyseurs, " ce qui fait de ce matériau un choix évident pour les chercheurs intéressés par la catalyse plasmonique, dit Aslam.
Pourtant, personne n'avait été capable de le faire auparavant car il est très difficile d'amadouer une fine pellicule de platine sur de l'argent. Dans la plupart des conditions, l'argent a tendance à ternir, dit Aslam. Alors lui et Chavez ont modifié les conditions de réaction de sorte que le revêtement de platine se produise beaucoup plus rapidement que le ternissement.
Le groupe a démontré que le catalyseur doublait presque la vitesse à laquelle les contaminants de monoxyde de carbone dans l'hydrogène se transformaient en dioxyde de carbone lorsque la lumière était allumée, par rapport à la réaction dans l'obscurité, qui repose sur le platine seul. Cette conversion est importante dans la production d'hydrogène à partir de méthane, à mesure que les restes de monoxyde de carbone projettent les catalyseurs dans les piles à combustible à hydrogène.
Ils ont montré que ni les nanocubes d'argent seuls, ni les coquilles de platine cubiques laissées lorsque l'argent a été retiré par l'acide, ne pouvaient fonctionner comme les cubes recouverts de platine. Toujours, Linic et Aslam préviennent que ces nouveaux catalyseurs ne sont pas encore les signes avant-coureurs d'une révolution dans la chimie industrielle.
"À l'heure actuelle, la catalyse plasmonique est un domaine naissant, " A déclaré Aslam. "Cela coûte plus cher de préparer un catalyseur comme celui-ci par rapport aux catalyseurs conventionnels."
Mais avec des progrès continus dans la synthèse de nanoparticules et des idées pour améliorer encore les gains d'efficacité offerts par les catalyseurs plasmoniques, ils pourraient rendre l'industrie chimique plus verte à l'avenir.
L'étude s'intitule « Contrôler le flux d'énergie dans les nanostructures multimétalliques pour la catalyse plasmonique ».
