Исследователям из лаборатории нанофотоники университета Райса давно известно, что форма наночастицы влияет на ее взаимодействие со светом. Последние исследования показывают, как форма влияет на способность частицы использовать свет для катализа важных химических реакций.

В сравнительном исследовании аспиранты лаборатории Линь Юань и Минхань Лу с коллегами исследовали наночастицы алюминия с одинаковыми оптическими свойствами, но разной формой.

Самые округлые имели 14 сторон и 24 закругления. Кубические имели 6 сторон и 8 прямых углов. Третьи, которые команда назвала октоподами, тоже имели 6 сторон, но все 8 углов соединялись вогнутыми дугами, а не прямыми.

Все три разновидности могут улавливать энергию света и периодически выделять ее в виде суперэнергетических горячих электронов, способных ускорять каталитические реакции.

Химик Юань провел эксперименты и увидел, насколько хорошо каждая из частиц действует в качестве фотокатализатора для реакции диссоциации водорода. Тесты показали, что с октоподами скорость реакции в 10 раз выше, чем с нанокристаллами с 14 сторонами, и в 5 раз выше, чем с нанокубами. А еще у октоподов выявили более низкую видимую энергию активации, примерно на 45% ниже, чем у нанокубов, и на 49% ниже, чем у нанокристаллов.

— Эксперименты показали, что более острые углы повышают эффективность, заметил Юань, соавтор опубликованного в издании ACS Nano исследования. — У октоподов углы — примерно 60 градусов, у кубов — 90 градусов, а у округлых наночастиц углы и вовсе тупые. Чем острее угол, тем выше эффективность реакции. Величину угла ограничивает лишь химический синтез. Это будут всегда одиночные кристаллы определенной структуры, которые не получится постоянно делать все более острыми.

Физики Лу подтвердил результаты каталитических экспериментов, разработав теоретическую модель процесса переноса энергии горячих электронов между светоактивированными наночастицами алюминия и молекулами водорода.

— Мы вводим длину волны света и форму частиц, сказал Лу. — Используя эти два аспекта, мы сможем точно спрогнозировать, какая именно форма производит лучший катализатор.

Данная работа — часть постоянных усилий лаборатории в области «зеленой химии», направленных на разработку коммерчески жизнеспособных светоактивируемых нанокатализаторов, коорые с хирургической точностью вводят энергию в химические реакции.

Ранее лаборатория представила катализаторы для получения этилена и сингаза, расщепления аммиака для производства водородного топлива и для разложения «вечных химикатов».

— Исследование показывает, что форма фотокатализатора  — это еще один конструктивный элемент, который разработчики могут использовать для создания фотокатализаторов с более высокой скоростью реакции и более низкими барьерами активации, заключил профессор Халас.