铝纳米粒子制造可调谐的绿色催化剂

催化剂开启了化学反应以更快、更有效的速率展开的途径，而新催化技术的开发是绿色能源转型的关键部分

莱斯大学纳米技术先驱Naomi Halas的实验室发现了一种变革性的方法，通过在各种气体环境中高温退火来利用铝纳米颗粒的催化能力

根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，Rice的研究人员和合作者表明，改变覆盖颗粒的氧化物层的结构会改变其催化性能，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性反应的不同使用环境的需求进行定制

“铝是一种富含地球的金属，用于许多结构和技术应用，”该论文的主要作者、Rice博士校友Aaron Bayles说。“所有的铝都涂有表面氧化物，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是什么。这一直是阻碍铝纳米颗粒广泛应用的一个限制因素。”

由于表面等离子体共振，铝纳米颗粒以显著的效率吸收和散射光，描述金属表面上的电子响应特定波长的光而集体振荡的现象。与其他等离子体纳米颗粒一样，铝纳米晶体核心可以作为纳米级光学天线，使其成为基于光的反应的有前途的催化剂

Bayles说：“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，其中许多催化过程依赖于铂、铑、钌等贵金属。”

“我们的最终目标是彻底改变催化作用，使其更容易获得、更高效、更环保，”Halas说，他是Rice的最高学术级别的大学教授。“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集团一直在开发用于等离子体光催化反应的铝纳米颗粒，如分解危险的化学战剂和高效生产商品化学品。新发现的改性铝纳米颗粒表面氧化物的能力进一步增加了其用作催化剂的多功能性，从而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相互作用，但金属纳米晶体核独特地能够非常有效地吸收光并将其转化为能量，而氧化物层则起到了反应器的作用，将能量转移到反应物分子上。”拜尔斯说

纳米颗粒氧化物涂层的性质决定了它们如何与其他分子或材料相互作用。这项研究阐明了铝纳米颗粒上这种天然氧化物层的结构，并表明简单的热处理——即在不同的气体中将颗粒加热到高达500摄氏度（932华氏度）的温度——可以改变其结构

Bayles说：“晶相、颗粒内应变和缺陷密度都可以通过这种简单的方法来改变。”。“起初，我确信热处理没有起到任何作用，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，特别是对光驱动的二氧化碳还原，这意味着纳米颗粒可能有助于生产可持续燃料，”Bayles说，他现在是国家可再生能源实验室的博士后研究员

Bayles补充道，“用丰富的铝代替贵金属的能力可能对应对气候变化产生巨大影响，并为其他材料的类似增强开辟了道路。”拜尔斯说。“因此，对于反应性更强的东西，如氧化钛或氧化铜，你可能会看到更大的影响。”