化學(xué)催化劑是我們?nèi)粘Ｉ钪袔缀跛形锲?從塑料到處方藥)的生產(chǎn)背后的變革推動(dòng)因素。當(dāng)正確的催化劑與正確的化合物混合時(shí)，原本需要數(shù)年時(shí)間才能相互作用的分子只需幾秒鐘。

然而，當(dāng)使用僅使用化學(xué)反應(yīng)(通常在液相中)來(lái)生長(zhǎng)納米粒子的傳統(tǒng)濕化學(xué)程序時(shí)，即使開發(fā)一種催化劑材料來(lái)觸發(fā)這種精確的原子編排也可能需要數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間。

羅切斯特大學(xué)的研究人員表示，有一種方法可以顯著縮短這一過(guò)程——通過(guò)在液體中使用脈沖激光快速創(chuàng)建精心調(diào)諧的系統(tǒng)納米顆粒陣列，這些納米顆?？梢院苋菀椎剡M(jìn)行比較和測(cè)試以用作催化劑。

羅切斯特大學(xué)化學(xué)工程助理教授 Astrid Müller在化學(xué)評(píng)論文章中描述了該過(guò)程，她已將該技術(shù)應(yīng)用于她在可持續(xù)能源解決方案方面的工作。三名博士 她實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生——共同作者 Ryland Forsythe、Connor Cox 和 Madeleine Wilsey——對(duì)之前近 600 篇涉及在液體中使用脈沖激光的論文進(jìn)行了詳盡的審查。因此，他們的文章是對(duì) 1987 年首次開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)的最全面、最新的調(diào)查。

液體中的脈沖激光是發(fā)現(xiàn)催化劑的“不可或缺的工具”

那么液體中脈沖激光合成是如何工作的呢?

脈沖激光對(duì)準(zhǔn)浸入液體中的固體材料。這會(huì)在固體表面附近產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體。

隨著等離子體衰變，它會(huì)蒸發(fā)周圍液體中的分子，從而形成空化氣泡。在氣泡內(nèi)，來(lái)自液體的顆粒與從固體中燒蝕或脫落的顆粒之間開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)周期性的膨脹和收縮，空化氣泡劇烈內(nèi)爆，引起沖擊波和快速冷卻。氣泡中的納米粒子凝結(jié)成小簇，注入周圍的液體中并變得穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)的納米材料濕實(shí)驗(yàn)室合成相比，液體中的脈沖激光技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)。根據(jù)穆勒的說(shuō)法：

由于反應(yīng)主要限制在空化氣泡內(nèi)，因此所得納米粒子具有非常均勻的特性。“制造的每個(gè)粒子都是在相同的條件下產(chǎn)生的，”她說(shuō)。

通過(guò)調(diào)整激光脈沖和固體和周圍流體的化學(xué)成分，可以很容易地微調(diào)納米粒子的特性。

激光制造的納米催化劑本質(zhì)上比通過(guò)濕化學(xué)方法獲得的催化劑更具活性。

可以很容易地生產(chǎn)具有非平衡結(jié)構(gòu)和成分的亞穩(wěn)態(tài)納米材料。這種材料不能在中等溫度和壓力下制造。

激光合成可以遠(yuǎn)程控制，增加了大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的潛力。

脈沖激光束(綠色)撞擊浸入液體中的固體，觸發(fā)一系列事件，產(chǎn)生具有受控特性的均勻納米粒子。圖片來(lái)源：阿斯特麗德·穆勒

納米材料的脈沖激光液體合成也比傳統(tǒng)方法快得多。該技術(shù)可以在一小時(shí)或更短的時(shí)間內(nèi)制備大量的納米顆粒。一周內(nèi)可以制作 70 種材料的系統(tǒng)陣列。

“這些優(yōu)勢(shì)使其成為不可缺少的發(fā)現(xiàn)工具，”Müller 說(shuō)，他的背景包括激光、材料和電催化方面的工作。“通常有人了解激光和材料，或者可能是電催化和材料，但很少有人同時(shí)擁有這三方面的專業(yè)知識(shí)。”

她說(shuō)：“這就是促使我們寫這篇論文的原因，因?yàn)?Müller 小組可以匯集所有三個(gè)領(lǐng)域的觀點(diǎn)。”

催化劑如何應(yīng)對(duì)氣候變化

在加州理工學(xué)院擔(dān)任科學(xué)家期間，Müller 率先采用了液體激光技術(shù)來(lái)制備非貴重的水分解電催化劑，該催化劑可從水中釋放氧氣以產(chǎn)生清潔的氫氣。在羅切斯特，Müller 小組將她的專業(yè)知識(shí)擴(kuò)展到研究激光制造的電催化劑，作為將破壞氣候的二氧化碳(CO 2 ) 轉(zhuǎn)化為有用液體燃料(如甲醇或乙醇)的封閉循環(huán)的一種方式。

“如果你再次燃燒這些燃料，你會(huì)再次制造 CO 2，所以你會(huì)循環(huán)往復(fù)。碳總是留在循環(huán)中，不會(huì)導(dǎo)致更多的氣候變化，”穆勒說(shuō)。“為此，我們需要催化劑，而沒(méi)有人知道這些催化劑會(huì)是什么——什么會(huì)起作用，為什么，以及為什么其他催化劑不起作用。”

因此，她對(duì)使用液體脈沖激光合成來(lái)加速這一過(guò)程很感興趣。“這非常重要，因?yàn)槲覀儾荒茏葰夂蜃兓〉米詈贸煽?jī);我們現(xiàn)在需要研究后續(xù)技術(shù)，”她說(shuō)。

到目前為止，液體中脈沖激光合成僅具有有限的商業(yè)用途。Müller 說(shuō)，投資激光技術(shù)的啟動(dòng)成本是許多公司的絆腳石。“但隨著這種方法越來(lái)越受到關(guān)注，這種情況將會(huì)改變，”她相信。

多虧了 Müller 的實(shí)驗(yàn)室，液體中的脈沖激光合成當(dāng)然得到了更多的關(guān)注。在三周內(nèi)，他們的論文已成為一種催化劑，下載量超過(guò) 1,500 次。

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