强迫与等离子体反应

随着社会摆脱对化石燃料的需要越来越强烈,使用可再生的动力阳光电力化工行业越来越强。电磁波在阳光下可以一个原子的大小数千倍,然而,使阳光直接进入原子系统耦合效率低下。但等离子可能提供了一个优雅的解决方案。

局部表面等离子体共振,简称等离子体振荡使量子化金属纳米结构的自由电子密度。传入的电磁辐射可以通过所谓的电浆激发他们交互。纳米结构的等离子体共振频率(自由电子在纳米结构的固有频率振动),纳米粒子可以作为天线的电场,使他们非常高效吸收的辐射。此外,而可见光或红外线的波长成百上千的纳米,等离子体的波长可以几纳米。

一方面,这使得物理学家和电气工程师比可能产生较小的光学电路与传统硅波导。另一方面,化学家可以大大增强了光和物质的相互作用。这大大影响了化学的研究通过成像技术,如表面增强拉曼光谱(ser;看到准备一个拉曼的转变)。等离子体兴奋在金银衬底电磁场增强分子经历成千上万次,10放大微弱的拉曼信号的因素¹⁴。甚至单分子能被探测到。

等离子不能研究分子,然而,它也可以影响他们,nanochemists利用控制纳米颗粒增长自2000年代初以来。¹光的电磁场通常认为分子或原子是一个点对象,“伊利诺伊大学香槟分校的Prashant Jain解释说在美国,光与物质的相互作用方面的专家。“但是当你紧缩场到分子内的建筑特色的规模,性质的交互完全改变。澳门万博公司分子可以看到电磁场梯度,而对于普通光只是看到一个统一的场。开车时这就变成了有用的光学过程和转换是未知的,甚至禁止使用正则件轻松事相互作用”。

在一瞬间消失了

一旦形成,在飞秒等离子体衰变。它可以在两个可能的方法:首先是光子发射。光子的频率是固定的电子能级的材料,这种效应导致一个照亮对象发出特定颜色的光。这可以看到壮观的古董对象的颜色像罗马晚期莱克格斯杯在大英博物馆,出现绿色反射光,但红色的传播,因为小数量的金银纳米颗粒分散在玻璃。“这在中世纪,进一步开发”Palackỳ大学的Alberto Naldoni说在捷克共和国,金属氧化物和金属微粒被添加到玻璃原材料产生很强的完成玻璃的着色。

第二个等离子体衰变信道不涉及光发射。相反,能量释放到高能电子空穴对。在光电应用等离子,这被认为是失:“15年来在等离子我们致力于减少无辐射衰变,”莱斯大学的理论物理学家彼得Nordlander说德克萨斯州。有很多人做拉曼和波导和亚波长光学设备,可能大多数仍然希望辐射衰变和正在与低损耗材料。”然而,这“损失”不仅使等离子体驱动光学转换——实际上是瞬时——而且化学反应,这对原子重新排列自己需要时间。

变化的催化剂

2011年,在那些nanochemists的工作基础上,表面化学家Suljo Linic和他的同事在美国密歇根大学的解决几个工业重要的如一氧化碳氧化反应和乙烯环氧化作用,通常需要高温快速进行。他们表明,如果反应物吸附在银纳米颗粒表面温和的温度,可以显著加快反应辐射在纳米颗粒的表面等离子体共振频率。”,提供了一个初步的观察,如果你上发光电浆金属纳米颗粒和暴露反应环境,你可以推动化学的方式出现不同如果你只是加热材料,“Linic解释道。这导致了一个领域被称为电浆催化。我们已经从这有数百,甚至数千——每年发表的论文。²

电浆催化的主要优点是,它可以高效和选择性。在传统热催化、能源供给反应物在所有访问通过加热是平均分配的自由度的分子。这浪费能源和可能导致的形成不受欢迎的对象,甚至过早降解反应的容器。然而,电浆交互是一个共振的过程:纳米颗粒可以被设计在特定的吸收能量,尖锐的共振,令人兴奋的一个电子给一个精确的能源,这样它将进入一个特定的反键分子轨道。这可以激活的打破债券但是离开另一个潜在的低,债券。

如果你上发光电浆金属纳米颗粒和暴露反应环境,可以驱动化学

Linic集团在2013年展示了一个有趣的例子。理论上,铜纳米粒子是一种很好的催化剂的丙烯氧化丙烯环氧化反应。然而在实践中,他们迅速成为氧化,导致他们的选择性下降。研究人员发现,在宽带可见光太阳能强度的5倍左右,选择性氧化的铜纳米粒子在两分钟内从20%恢复到50%。他们提出,光有针对性的铜的电浆光致还原作用₂O在纳米颗粒表面的金属,恢复纳米颗粒的催化选择性氧化丙烯。³

然而,核心问题是,尽管这些论文已经证明hot-carrier-induced电浆化学的原理,反应是无效率的。”问题是唯一的好电浆材料我们有金、银、铝及合金——他们是可怕的催化剂,“Nordlander解释道。事实上,乐队的功能结构等金属钯,铂和澳门万博公司钌,允许他们吸附反应物和诱导氧化还原反应,使他们这种有效的催化剂——也采取行动抑制电浆交互。所以希望有高效的电浆催化什么?

阳光和一个放大镜

具有讽刺意味的是,高效地生成热运营商的关键在于放弃无辐射衰变机制。2016年,Nordlander和Halas表明,虽然电浆纳米粒子像黄金不能有效地生成热的运营商,证明如此有用的电磁场增强ser的研究人员也可以激发热电子空穴对纳米颗粒的催化金属。研究人员已经开发出双金属antenna-reactor粒子。天线设计中心接受强大的等离子体共振所需频率的电磁辐射。这激发很强,高度本地化的电磁场天线的表面。电子在核反应堆粒子可以兴奋反应堆之间的能量在这个领域和隧道粒子和一个分子吸附在其表面。天线是一个放大镜通道能量到反应堆并创建电子空穴作用,“Nordlander解释道。

在2016年的论文,研究人员使用铝纳米晶体装饰着反应堆钯粒子催化分解的H₂和D₂。当他们辐照antenna-reactors与光等离子体共振频率的铝、高清生产增加的速度甚至超过了激光功率- hot-carrier-driven过程的签名。⁴研究人员随后扩展他们的antenna-reactor概念产生电浆其他各种反应的催化剂。我们可以调整电浆纳米结构的能量产生的载体完全能量为特定的化学反应,我们希望“Nordlander说。2018年10月,研究人员表明,copper-ruthenium antenna-reactors可能使氨分解——这可能是重要的安全释放氢燃料箱——快177倍。⁵Linic集团在密歇根州也曾与双金属电浆纳米颗粒。2017年,他们发现,当他们试图使用光催化一氧化碳氧化银的等离子体共振频率,裸露的75纳米银纳米粒子散射光子和反应实现选择性只有10%。当他们仅增加1纳米铂的表面,然而,纳米粒子吸收大部分的光子并借此进入氧化,实现70%的选择性较低的温度。⁶

圣杯等离子研究人员使用阳光来驱动化学反应。Nordlander解释说,这将允许化工行业使用太阳能更有效地推动传统化学过程使用太阳能发电。'如果你有使用太阳能电池发电,说,15%的效率推动传统的催化过程,和小的效率,你处理的是整体效率约5%的时候你做了两个转换——从光电力和电加热和压力,”他说。我们演示了在2018年的论文的效率是18% !”

纯粹依赖直接太阳辐射的缺点之一,Nordlander表示这个行业不愿意依赖于阳光。如果你投资资本设备,你需要能够维持晚上生产,”他解释说。什么改变了字段是LED光源的发展,可以有一个量子效率为85%。我认为这是原因我们看到现在很多人进入这个领域。”

Halas和Nordlander共同创业公司朔望等离子,其使命是“利用突破在等离子驱动可持续性能源和化学行业的。在天文学、朔望是一条直线的配置多个天体,比如太阳,月亮和地球在一个eclipse。新公司的数量问题是能源、技术和可持续性。作为它的第一反应,公司打算商业化光催化甲烷水蒸气重整生成可持续氢从天然气。

(可持续)驱动的路要走

重要的挑战依然存在电浆化学。目前实验通常是与单色激光共振频率的电浆纳米颗粒。太阳,然而,本质上是一种宽带光源,因此有效利用太阳能是可能需要使用多种波长的能量。电浆纳米结构的好处在于我们可以调整他们的共振能量,“Nordlander说。然而,粒子可以激发运营商到相同的电子轨道后分子吸收不同波长的光有效地将不同的antenna-reactors。你可以用串联的情况或混合物,但你必须超越我们现在正在做的,”他解释说。

更加复杂的问题在于:热电子空穴对可以重组在几分之一秒内,产生热量或光。在热电子化学,电子的动能转移到一个被吸附物,然后返回到金属,”Jain解释道。这不是一个不可逆转的电荷提取过程。”他解释说,问题是,很多最重要的化学反应,比如人工光合作用和固氮作用,需要多个电子的运动。这些反应因此因活动倾向。

我认为这是一种可能性来治理地球的灾难正在等待,除非我们做点什么温室气体排放

耆那教徒的小组开发了一种方法来永久地提取从纳米电子,生产稳定,charge-separated状态。2018年,他们发现,添加一个洞清道夫如异丙醇可以中和纳米颗粒。这使得研究人员执行多电子减少二氧化碳在可见光下。⁷Jain说,最终,研究者们想避免增加清道夫通过创建一个额外的洞洞足够精力充沛氧化水。“现在你会使用电子和氧化过程,可以减少二氧化碳水使用漏洞,”Jain说。大力的整体你会做一个完整的,上坡photoredox反应,将二氧化碳和水并产生碳氢化合物燃料。”

不幸的是,金属催化剂常用的电浆-金银都如此低的熔点不适合提出许多工业应用的高温等离子要求操作。其中包括太阳能热光电、太阳能热水分解制氢和一些间接电浆纳米颗粒的催化,需要极端的局部加热,而不是直接的电子转移。Naldoni和弗拉基米尔Shalaev印第安纳州普渡大学的我们,因此努力开发新型耐火材料电浆的材料氮化钛和氮化锆等,都有熔点接近3000°C。⁸我认为氮化钛可以是一个真正的游戏规则在不久的将来,“Naldoni说。Linic警惕潜在的等离子在近期:“任何领域会通过一个阶段的兴奋,也许过度承诺最终达到一个稳定状态之前,”他说。商业应用的电浆化学不仅仅是底层物理化学——这也是我们是否可以设计反应堆中获取能量的效率,这已经足够低量,允许高体积流率。

Nordlander表示赞同:“这可能是20年前你看到大规模的化学工业。”不过,他表示,“我认为这是有可能解决地球的灾难正在等待,除非我们做点什么温室气体排放。如果我们有1%的几率会成功,100%值得做的事情。”

蒂姆Wogan是一个基于科学作家在伦敦,英国

文章更新2019年1月23日,包括纳米颗粒增长工作,早些时候upate参考7