Les catalyseurs ouvrent la voie à des réactions chimiques qui se déroulent à des rythmes plus rapides et plus efficaces, et le développement de nouvelles technologies catalytiques est un élément essentiel de la transition énergétique verte.
Le laboratoire de l'Université Rice de la pionnière des nanotechnologies Naomi Halas a découvert une approche transformatrice pour exploiter le pouvoir catalytique des nanoparticules d'aluminium en les recuit dans diverses atmosphères gazeuses à haute température.
Selon une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , Les chercheurs et collaborateurs de Rice ont montré que le changement de la structure de la couche d'oxyde qui recouvre les particules modifie leurs propriétés catalytiques, ce qui en fait un outil polyvalent qui peut être adapté aux besoins de différents contextes d'utilisation, de la production de carburants durables à l'eau. réactions basées sur.
"L'aluminium est un métal abondant sur terre et utilisé dans de nombreuses applications structurelles et technologiques", a déclaré Aaron Bayles, ancien doctorant de Rice et auteur principal de l'article. "Tout l'aluminium est recouvert d'un oxyde de surface, et jusqu'à présent nous ne connaissions pas la structure de cette couche d'oxyde natif sur les nanoparticules. Cela a été un facteur limitant empêchant l'application généralisée des nanoparticules d'aluminium."
Les nanoparticules d'aluminium absorbent et diffusent la lumière avec une efficacité remarquable grâce à la résonance plasmonique de surface, un phénomène qui décrit l'oscillation collective des électrons sur la surface métallique en réponse à la lumière de longueurs d'onde spécifiques. Comme d'autres nanoparticules plasmoniques, le noyau du nanocristal d'aluminium peut fonctionner comme une antenne optique à l'échelle nanométrique, ce qui en fait un catalyseur prometteur pour les réactions basées sur la lumière.
"Presque tous les produits chimiques et tous les plastiques que nous utilisons quotidiennement proviennent d'un processus catalytique, et bon nombre de ces processus catalytiques reposent sur des métaux précieux comme le platine, le rhodium, le ruthénium et d'autres", a déclaré Bayles. P>
"Notre objectif ultime est de révolutionner la catalyse, en la rendant plus accessible, efficace et respectueuse de l'environnement", a déclaré Halas, professeur d'université, rang universitaire le plus élevé de Rice. "En exploitant le potentiel de la photocatalyse plasmonique, nous ouvrons la voie à un avenir meilleur et plus durable."
Le groupe Halas développe des nanoparticules d'aluminium pour des réactions de photocatalyse plasmonique telles que la décomposition d'agents de guerre chimique dangereux et la production efficace de produits chimiques de base. La capacité récemment découverte à modifier les oxydes de surface des nanoparticules d'aluminium augmente encore leur polyvalence pour une utilisation comme catalyseurs pour convertir efficacement la lumière en énergie chimique.
"Si vous effectuez une réaction catalytique, les molécules de la substance que vous cherchez à transformer interagiront avec la couche d'oxyde d'aluminium plutôt qu'avec le noyau métallique en aluminium, mais ce noyau métallique en nanocristaux est unique et capable d'absorber la lumière de manière très efficace et la convertit en énergie, tandis que la couche d'oxyde remplit le rôle d'un réacteur, transférant cette énergie aux molécules réactives", a déclaré Bayles.
Les propriétés du revêtement d'oxyde des nanoparticules déterminent la façon dont elles interagissent avec d'autres molécules ou matériaux. L'étude élucide la structure de cette couche d'oxyde natif sur les nanoparticules d'aluminium et montre que de simples traitements thermiques, c'est-à-dire chauffer les particules à des températures allant jusqu'à 500 degrés Celsius (932 Fahrenheit) dans différents gaz, peuvent modifier sa structure.
"La phase cristalline, la déformation intraparticulaire et la densité des défauts peuvent toutes être modifiées par cette approche simple", a déclaré Bayles. "Au départ, j'étais convaincu que les traitements thermaux ne faisaient rien, mais les résultats m'ont surpris."
L'un des effets des traitements thermiques était de rendre les nanoparticules d'aluminium plus capables de faciliter la conversion du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et en eau.
"Changer la couche d'alumine de cette manière affecte ses propriétés catalytiques, en particulier pour la réduction du dioxyde de carbone induite par la lumière, ce qui signifie que les nanoparticules pourraient être utiles pour produire des carburants durables", a déclaré Bayles, qui est maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire national des énergies renouvelables. .
Bayles a ajouté que la possibilité « d'utiliser une quantité abondante d'aluminium à la place des métaux précieux pourrait avoir un impact considérable sur la lutte contre le changement climatique et ouvrir la voie à l'amélioration similaire d'autres matériaux. »
"Il a été relativement facile de réaliser ces traitements et d'obtenir de grands changements dans le comportement catalytique, ce qui est surprenant car l'oxyde d'aluminium n'est pas réactif; il est très stable", a déclaré Bayles. "Donc, pour quelque chose qui est un peu plus réactif, comme l'oxyde de titane ou l'oxyde de cuivre, vous pourriez constater des effets encore plus importants."
Plus d'informations : Aaron Bayles et al, Adaptation de l'oxyde de surface des nanocristaux d'aluminium pour les photocatalyseurs plasmoniques à antenne et réacteur entièrement en aluminium, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2321852121
Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par l'Université Rice
