Однако разработка даже одного материала катализатора для запуска этой точной хореографии атомов может занять месяцы, даже годы при использовании традиционных процедур влажной химии, которые используют только химические реакции, часто в жидкой фазе, для выращивания наночастиц.
Исследователи из Рочестерского университета говорят, что есть способ значительно сократить этот процесс – вместо этого использовать импульсные лазеры в жидкостях для быстрого создания тщательно настроенных систематических массивов наночастиц, которые можно легко сравнивать и тестировать для использования в качестве катализаторов.
Этот процесс описан в статье Chemical Reviews Астрид Мюллер, доцентом кафедры химической инженерии в Университете Рочестера, которая адаптировала эту технику для своей работы над решениями в области устойчивой энергетики. Три аспиранта в ее лаборатории – соавторы Райланд Форсайт, Коннор Кокс и Мадлен Уилси – провели исчерпывающий обзор почти 600 предыдущих работ, посвященных использованию импульсных лазеров в жидкостях.
В результате их статья является наиболее полным и актуальным обзором технологии, впервые разработанной в 1987 году.
Импульсные лазеры в жидкостях – незаменимый инструмент для поиска катализаторов
Итак, как работает импульсный лазер в жидкости??
Импульсный лазер направлен на твердый материал, погруженный в жидкость. Это создает высокотемпературную плазму высокого давления у поверхности твердого тела.
Когда плазма распадается, она испаряет молекулы окружающей жидкости, что приводит к образованию кавитационного пузыря.
Внутри пузыря начинают происходить химические реакции между частицами из жидкости и частицами, которые были удалены или выбиты из твердого тела.
После периодического расширения и сжатия кавитационный пузырь резко взрывается, вызывая ударные волны и быстрое охлаждение. Наночастицы из пузырька конденсируются в небольшие кластеры, которые впрыскиваются в окружающую жидкость и становятся стабильными.
Метод импульсного лазера в жидкостях предлагает множество преимуществ по сравнению с традиционным синтезом наноматериалов в мокрой лаборатории. По словам Мюллера:
Поскольку реакции ограничиваются в основном кавитационным пузырем, полученные наночастицы имеют удивительно однородные свойства. «Каждая частица создается в одних и тех же условиях», – говорит она.
Свойства наночастиц можно легко настроить, регулируя лазерные импульсы и химический состав твердого тела и окружающей жидкости.
Лазерные нанокатализаторы по своей природе более активны, чем нанокатализаторы, полученные методами влажной химии. Метастабильные наноматериалы с неравновесной структурой и составом могут быть легко получены. Такие материалы нельзя производить при умеренных температурах и давлениях.
Лазерным синтезом можно управлять дистанционно, что увеличивает потенциал для крупномасштабных промышленных приложений.
Импульсный лазерный синтез наноматериалов в жидкостях также намного быстрее, чем традиционные методы. Этот метод позволяет приготовить большие количества наночастиц за час или меньше. Систематические массивы из 70 материалов могут быть изготовлены за неделю.
«Эти преимущества делают его незаменимым инструментом для открытий», – говорит Мюллер, чей опыт включает работу в области лазеров, материалов и электрокатализа. «У вас часто есть люди, которые разбираются в лазерах и материалах, или, возможно, в электрокатализе и материалах, но очень редко встречаются люди, обладающие опытом во всех трех областях."
Она говорит: «Это то, что побудило нас написать эту статью, потому что группа Мюллера может объединить точки зрения всех трех областей."
Как катализаторы могут бороться с изменением климата
Работая штатным научным сотрудником в Калифорнийском технологическом институте, Мюллер первым применил технологию лазера в жидкостях для приготовления недрагоценных электрокатализаторов, расщепляющих воду, которые выделяют кислород из воды для производства чистого водорода.
В Рочестере группа Мюллер расширяет свой опыт в изучении лазерных электрокатализаторов как способа превратить вредный для климата двуокись углерода (CO2) в замкнутый цикл полезных жидких топлив, таких как метанол или этанол.
"Если бы вы снова сожгли это топливо, вы снова образовали бы СО2, так что вы постоянно.
Углерод всегда остается в круговороте и не способствует дальнейшему изменению климата », – говорит Мюллер. "Чтобы это сработало, нам нужны катализаторы, и никто еще не знает, что это за катализаторы – что сработает и почему, и почему другие катализаторы не работают."
Отсюда ее интерес к использованию импульсного лазерного синтеза в жидкости для ускорения процесса. «Это очень важно, потому что мы не можем просто сидеть и надеяться на лучшее в связи с изменением климата; нам нужно работать над технологиями-преемниками сейчас», – говорит она.
До сих пор импульсный лазерный синтез в жидкости имел ограниченное коммерческое использование.
По словам Мюллера, стартовые затраты на инвестиции в лазерные технологии являются камнем преткновения для многих компаний. «Но это изменится по мере того, как этот метод становится все более популярным», – считает она.
Благодаря лаборатории Мюллера синтезу импульсного лазера в жидкостях, безусловно, уделяется больше внимания.
Их статья сама по себе стала катализатором: ее скачали более 2400 раз.