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

然而，當使用僅使用化學反應(通常在液相中)來生長納米粒子的傳統(tǒng)濕化學程序時，即使開發(fā)一種催化劑材料來觸發(fā)這種精確的原子編排也可能需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間。

羅切斯特大學的研究人員表示，有一種方法可以顯著縮短這一過程——通過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行比較和測試以用作催化劑。

羅切斯特大學化學工程助理教授 Astrid Müller在化學評論文章中描述了該過程，她已將該技術應用于她在可持續(xù)能源解決方案方面的工作。三名博士 她實驗室的學生——共同作者 Ryland Forsythe、Connor Cox 和 Madeleine Wilsey——對之前近 600 篇涉及在液體中使用脈沖激光的論文進行了詳盡的審查。因此，他們的文章是對 1987 年首次開發(fā)的一項技術的最全面、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?

脈沖激光對準浸入液體中的固體材料。這會在固體表面附近產(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)生化學反應。

經(jīng)過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)的納米材料濕實驗室合成相比，液體中的脈沖激光技術具有多種優(yōu)勢。根據(jù)穆勒的說法：

由于反應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。“制造的每個粒子都是在相同的條件下產(chǎn)生的，”她說。

通過調(diào)整激光脈沖和固體和周圍流體的化學成分，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)上比通過濕化學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。

激光合成可以遠程控制，增加了大規(guī)模工業(yè)應用的潛力。

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。該技術可以在一小時或更短的時間內(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)勢使其成為不可缺少的發(fā)現(xiàn)工具，”Müller 說，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，但很少有人同時擁有這三方面的專業(yè)知識。”

她說：“這就是促使我們寫這篇論文的原因，因為 Müller 小組可以匯集所有三個領域的觀點。”

催化劑如何應對氣候變化

在加州理工學院擔任科學家期間，Müller 率先采用了液體激光技術來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)知識擴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，你會再次制造 CO 2，所以你會循環(huán)往復。碳總是留在循環(huán)中，不會導致更多的氣候變化，”穆勒說。“為此，我們需要催化劑，而沒有人知道這些催化劑會是什么——什么會起作用，為什么，以及為什么其他催化劑不起作用。”

因此，她對使用液體脈沖激光合成來加速這一過程很感興趣。“這非常重要，因為我們不能坐等氣候變化取得最好成績;我們現(xiàn)在需要研究后續(xù)技術，”她說。

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，投資激光技術的啟動成本是許多公司的絆腳石。“但隨著這種方法越來越受到關注，這種情況將會改變，”她相信。

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

標簽： 有效催化劑