Die Gruppe von Prof. Polshettiwar am Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) in Mumbai hat einen neuartigen „in Luft stabilen plasmonischen Reduktionskatalysator“ entwickelt, der der üblichen Instabilität von Reduktionskatalysatoren in Gegenwart von Luft trotzt. Der Katalysator verschmilzt mit Platin dotierte Rutheniumcluster mit „plasmonischem Schwarzgold“. Dieses schwarze Gold sammelt effizient sichtbares Licht und erzeugt aufgrund der plasmonischen Kopplung zahlreiche Hotspots, wodurch seine katalytische Leistung verbessert wird.
Das Team beschreibt seine Arbeit in einem Papier veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Das Besondere an diesem Katalysator ist seine bemerkenswerte Leistung bei der Halbhydrierung von Acetylen, einem wichtigen industriellen Prozess. In Gegenwart von überschüssigem Ethen und unter ausschließlicher Beleuchtung mit sichtbarem Licht ohne externe Heizung erreichte der Katalysator eine Ethenproduktionsrate von 320 mmol g−1 h−1 mit einer Selektivität von etwa 90 %. Diese Effizienz übertrifft alle bekannten plasmonischen und traditionellen thermischen Katalysatoren.
Überraschenderweise zeigt dieser Katalysator seine beste Leistung nur, wenn Luft neben den Reaktanten eingeführt wird. Diese einzigartige Anforderung führt zu einer beispiellosen Stabilität für mindestens 100 Stunden. Die Forscher führen dies auf plasmonenvermittelte gleichzeitige Reduktions- und Oxidationsprozesse an den aktiven Zentren während der Reaktion zurück.
Um unser Verständnis dieses Katalysators weiter zu verbessern, zeigten Finite-Differenzen-Zeitbereichssimulationen (FDTD) eine fünffache Steigerung des elektrischen Feldes im Vergleich zu reinem DPC. Diese Feldverstärkung aufgrund der Nahfeldkopplung zwischen den RuPt-Nanopartikeln und DPC spielt eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung chemischer Bindungen. Die Wirksamkeit des Katalysators zeigt sich auch in seinem kinetischen Isotopeneffekt (KIE), der bei Licht und bei allen Temperaturen größer ist als bei Dunkelheit.
Dies weist auf die bedeutende Rolle nicht-thermischer Effekte neben der photothermischen Aktivierung der Reaktanten hin. Eingehende In-situ-DRIFTS- und DFT-Studien lieferten Einblicke in den Reaktionsmechanismus über der Oxidoberfläche und verdeutlichten insbesondere die Rolle von Zwischenprodukten bei der Selektivität. Die teilweise oxidierte RuPt-Katalysatoroberfläche erzeugt di-σ-gebundenes Acetylen, das sich dann in mehreren Schritten in Ethen umwandelt.
Diese Forschung ist der erste Bericht über einen hocheffizienten, luftstabilisierten und plasmonisch aktivierten Katalysator für die Halbhydrierung von Acetylen mit potenziellen Anwendungen in einer Vielzahl anderer Reduktionsreaktionen. Die Ergebnisse liefern wichtige Beiträge zum Verständnis der plasmonischen Katalyse und ebnen den Weg für die Entwicklung nachhaltiger und energieeffizienter Katalysesysteme.
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Gunjan Sharma et al., Pt-dotierte Ru-Nanopartikel, geladen auf plasmonische Nanoreaktoren aus „schwarzem Gold“ als luftstabile Reduktionskatalysatoren, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-44954-4