铝纳米粒子制成可调节的绿色催化剂

催化剂开辟了化学反应以更快、更高效的速度展开的途径，新催化技术的开发是绿色能源转型的关键部分。

纳米技术先驱内奥米·哈拉斯 (Naomi Halas) 的莱斯大学实验室发现了一种利用铝纳米粒子催化能力的变革性方法，即在高温下在各种气体环境中对其进行退火。

根据一项研究发布在里面美国国家科学院院刊莱斯大学的研究人员及其合作者发现，改变覆盖粒子的氧化层的结构可以改变它们的使其成为一种多功能工具，可以根据从可持续燃料生产到水基反应等不同使用环境的需求进行定制。

“铝是一种储量丰富的金属，可用于多种结构和技术应用，”该论文的主要作者、莱斯大学博士校友 Aaron Bayles 说道。“所有铝都覆盖有一层表面氧化物，直到现在我们还不知道纳米颗粒上这种天然氧化物层的结构。这是阻碍铝纳米颗粒广泛应用的一个限制因素。”

铝纳米粒子能够高效地吸收和散射光，这是因为，这种现象描述了金属表面电子对特定波长的光的集体振荡。与其他等离子体纳米粒子一样，铝纳米晶体核心可以充当纳米级光学天线，使其成为光反应的有前途的催化剂。

“我们日常使用的几乎每一种化学品、每一种塑料都来自催化过程，而许多催化过程依赖于铂、铑、钌等贵金属，”贝尔斯说。

“我们的最终目标是彻底改变催化技术，使其更易于获取、更高效、更环保，”哈拉斯说，他是莱斯大学教授，拥有最高学术职位。“通过利用等离子体光催化的潜力，我们正在为更光明、更可持续的未来铺平道路。”

Halas 团队一直在开发用于等离子体光催化反应的铝纳米粒子，例如危险化学战剂的分解和新发现的改变铝纳米粒子表面氧化物的能力进一步提高了它们作为催化剂的多功能性，可以有效地将光转化为化学能。

“如果你正在进行催化反应，你想要转化的物质的分子将与氧化铝层而不是铝金属核心相互作用，但该金属纳米晶体核心能够非常有效地吸收光并将其转化为能量，而氧化物层则充当反应器的角色，将能量传递给反应物分子，”贝尔斯说。

纳米粒子氧化物涂层的性质决定了它们与其他分子或材料的相​​互作用。这项研究阐明了铝纳米粒子上这种天然氧化物层的结构，并表明简单的热处理（即在不同气体中将粒子加热到高达 500 摄氏度（932 华氏度）的温度）可以改变其结构。

“这“通过这种简单的方法，粒子内应变和缺陷密度都能够得到改变，”Bayles 说道。“起初，我确信热处理不会产生任何作用，但结果让我感到惊讶。”

热处理的效果之一是使铝纳米颗粒更好地促进二氧化碳转化为一氧化碳和水。

“以这种方式改变氧化铝层会影响其催化性能，特别是对于光驱动的二氧化碳还原，这意味着纳米粒子可用于生产可持续燃料，”现任国家可再生能源实验室博士后研究员的贝尔斯说。

Bayles 补充说，“利用丰富的铝代替可能对打击并为其他材料的类似增强开辟了道路。”

“进行这些处理并大幅改变催化行为相对容易，这令人惊讶，因为众所周知，氧化铝不活泼，非常稳定，”Bayles 说。“因此，对于活性稍强的物质，如氧化钛或氧化铜，你可能会看到更大的效果。”