Alüminyum “Ahtapotlar”- Işıkla Aktifleşen Nanokatalizörler için Biçim Önemlidir
Fotoğraf 1: Rice Üniversitesi Nanofotonik Laboratuvarı’ndaki (LANP) araştırmacılar, bir nanopartikülün ışık ile nasıl etkileştiğine şeklinin etki ettiğini uzun zamandır biliyorlardı ve son çalışmaları da bir parçacığın önemli kimyasal reaksiyonları katalize etmek için ışığı kullanma yeteneğine şeklinin nasıl bir etkisi olduğunu gösteriyor.
Karşılaştırmalı bir çalışmada, LANP yüksek lisans öğrencileri Lin Yuan, Minhan Lou ve meslektaşları, optik özellikleri aynı ancak şekilleri farklı olan alüminyum nanopartiküller üzerinde çalıştılar. Bu nanopartiküllerden, en yuvarlatılmış olanının 14 yüzü ve 24 yuvarlak ucu vardı. Diğeri, 6 yüzü ve 8 tane 90 derecelik köşesi olan bir küp şeklindeydi. Takımın “ahtapot” olarak adlandırdığı üçüncüsü ise 6 yüze sahipti, ancak sekiz köşesinin her birinin uçları sivriydi.
Fotoğraf 2 : Rice Üniversitesi Nanofotonik Laboratuvarı’ndan Yüksek lisans öğrencileri Minhan Lou (solda) ve Lin Yuan tarafından yapılan araştırmalar, bir nanokatalizörün şeklinin önemli kimyasal reaksiyonları fotokatalize etme yeteneğini etkilediğini buldu.
Her üç nanopartikül çeşidinde de ışıktan enerjiyi yakalama ve bu enerjiyi katalitik reaksiyonları hızlandırabilen süper enerjik sıcak elektronlar şeklinde periyodik olarak salma kabiliyeti vardı. Yuan, LANP direktörü Naomi Halas’ın araştırma grubunda bir kimyager, parçacıkların her birinin hidrojen ayrışma reaksiyonu için fotokatalizör olarak ne kadar iyi performans gösterdiğini görmek için deneyler yaptı. Yapılan testler, ahtapotların 14 yüzü olan nanokristallerden 10 kat ve nanoküplerden 5 kat daha yüksek reaksiyon hızına sahip olduğunu gösterdi. Ahtapotlar ayrıca, yaklaşık olarak nanokristallerden %49 ve nanoküplerden %45 daha düşük aktivasyon enerjisine sahipti.
American Chemical Society dergisi ACS Nano’da yayınlanan çalışmanın ortak baş yazarı Yuan, “Deneyler, keskin köşelerin verimliliği artırdığını ispat etti. Köşe açısı yaklaşık 60 derece olan ahtapotlar ile köşe açısı 90 derece olan nanoküpler ve daha yuvarlak noktalara sahip olan nanokristaller karşılaştırıldığında, açı ne kadar küçükse reaksiyon verimliliğindeki artışın da o kadar büyük olduğu görülür. Ancak açının ne kadar küçük olabileceği kimyasal birleşimle sınırlı olabilir. Bunlar, belirli yapıları tercih eden tek kristallerdir. Sonsuz ölçüde daha fazla keskinlik yapamazsınız.” dedi.
LANP’nin Peter Nordlander araştırma grubunda fizikçi ve çalışmanın ortak baş yazarı olan Lou ise, ışıkla etkinleşen alüminyum nanopartiküller ve hidrojen molekülleri arasındaki sıcak elektron enerji aktarım sürecinin teorik bir modelini geliştirerek katalitik deneylerin sonuçlarını doğruladı. Lou, “Işığın dalga boyunu ve parçacık şeklini girdik ve bu iki yönü kullanarak, hangi şeklin en iyi katalizörü üreteceğini doğru bir şekilde tahmin edebiliyoruz.” dedi.
Bu çalışma, cerrahi hassasiyetle kimyasal reaksiyonlara enerji sokabilen, ticari olarak uygun olan, ışıkla aktive edilen nanokatalizörler geliştirmek için LANP tarafından sürdürülen yeşil kimya girişiminin bir parçasıdır. LANP daha önce de hidrojen yakıtı üretmek için amonyağın ayrıştırılması ve etilen ve sentez gazı üretimi için katalizörler göstermişti.
Rice’ın Smalley-Curl Enstitüsü müdürü ve kimya, biyomühendislik, fizik, astronomi, malzeme bilimi ve nanomühendislik profesörü Halas ise “Bu çalışma, fotokatalist şeklinin, mühendislerin daha yüksek reaksiyon hızlarına ve daha düşük aktivasyon enerjilerine sahip fotokatalistler oluşturabilmesi için kullanabilecekleri bir başka tasarım unsuru olduğunu gösteriyor” dedi.
Kaynak : scitechdaily.com
