Light Absorption and Phonon Engineering: Enhancing Catalytic Reactions and Deriving Corresponding Mechanisms

Kemiska reaktioner som sker på ytan av en nanopartikel som är 10 nanometer eller mindre kan skilja sig helt ifrån de på en makroskopisk yta av samma material. Kemiska eller katalytiska reaktioner, som de också kallas, som sker på nanopartikelytor är därför mycket betydelsefulla i många industrier såsom kemisk syntes och energiproduktion men också inom miljörelaterade områden som t.ex. avgasrening ifrån fordon och fabriker. Inom klassisk heterogen katalys används katalysatorsystemen vid höga temperaturer, d.v.s. flera hundra till tusen grader, för att öka reaktionshastigheten och därmed mängden önskad produkt per tidsenhet. I dagens tekniska lösningar åstadkommer man detta genom att värma upp hela katalysatorsystemet som förutom katalysatorn (de kemiskt aktiva nanopartiklarna) består av en så kallad reaktor och bärarmaterial. En stor mängd material behöver därmed värmas upp i hela systemet vilket medför att många katalytiska processer inte är särskilt energieffektiva. Målet är därför att inom ramen för det här projektet utveckla fundamentalt nya koncept för att öka reaktionshastigheten på katalysatorer utan att behöva värma hela katalysatorsystemet och därmed spara energi. Detta kan bli möjligt genom att använda s.k. optiska nanoantenner som, med hjälp av ljus, kan påskynda en katalytisk process på små metalliska katalysatornanopartiklar som ligger några få nanometer ifrån antennen. Till grund för fenomenet ligger nanoantennernas förmåga att "fånga in" energin som finns i det infallande ljuset på ett effektivt sätt och överföra den till katalysatorpartiklarna där den leder till produktion av s.k. heta eller energirika elektroner. Dessa elektroner kan sedan växelverka med de molekylerna som finns på katalysatorytan och på så sätt påskynda den kemiska reaktionen mellan dem. Därmed behöver inte hela katalysatorsystemet värmas upp eftersom den energi som krävs för att påskynda reaktionen selektivt levereras till katalysatorpartiklarna där den katalytiska reaktionen sker. Som en annan och komplementär strategi kommer vi även att undersöka möjligheten att minimera temperaturförluster ifrån katalysatorpartiklarna genom att, på nano-nivå, designa bärarmaterial som har extremt dålig värmeledningsförmåga. Detta blir speciellt viktigt när en katalytisk reaktion är exoterm, d.v.s. släpper ifrån sig värme, eftersom man då mer effektivt kan ta vara på reaktionsvärmen för att driva den katalytiska processen. De ovan beskrivna nya koncepten kommer att undersökas på grundforskingsnivå genom att ta fram specialdesignade modellsystem som byggs på tvådimensionella ytor med hjälp av nanoteknologins unika verktyg. Detta angreppsätt kommer att göra det möjligt att testa olika materialarrangemang, att karakterisera de i detalj, och att kartlägga experimentellt de underliggande mekanismerna som leder till de förväntade högre reaktionshastigheterna och den förbättrade värmehanteringen. På detta sätt skapar projektet en fundamental och generisk ny kompetens som kommer att vara betydligt längre än själva projektet. På längre sikt förväntas därför denna forskning och de genererade nya insikterna att bidra till utvecklingen av nya, bättre och mer energieffektiva katalysatorer för olika tillämpningar inom energi- och miljörelaterade teknologier samt den kemiska industrin. I andra halvan av projektet kommer vi att ta ett första steg i den riktningen genom att försöka efterskapa den materialdesignen som vekar mest lovande i modelssystemstudierna i nanopartiklar som tas fram med våtkemisk kolloidal syntes som har potential för kommersiell uppskalning.

Participants

Christoph Langhammer (contact)

Docent at Applied Physics, Chemical Physics

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2015–2018

Related Areas of Advance and Infrastructure

Materials Science

Area of Advance

Nanoscience & Nanotechnology

Area of Advance

Energy

Area of Advance

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Latest update

2015-11-03