液体中的脉冲激光加速寻找有效催化剂

化学催化剂是我们日常生活中几乎所有物品(从塑料到处方药)的生产背后的变革推动因素。当正确的催化剂与正确的化合物混合时，原本需要数年时间才能相互作用的分子只需几秒钟。

然而，当使用仅使用化学反应(通常在液相中)来生长纳米粒子的传统湿化学程序时，即使开发一种催化剂材料来触发这种精确的原子编排也可能需要数月甚至数年的时间。

罗切斯特大学的研究人员表示，有一种方法可以显着缩短这一过程——通过在液体中使用脉冲激光快速创建精心调谐的系统纳米颗粒阵列，这些纳米颗粒可以很容易地进行比较和测试以用作催化剂。

罗切斯特大学化学工程助理教授 Astrid Müller在化学评论文章中描述了该过程，她已将该技术应用于她在可持续能源解决方案方面的工作。三名博士 她实验室的学生——共同作者 Ryland Forsythe、Connor Cox 和 Madeleine Wilsey——对之前近 600 篇涉及在液体中使用脉冲激光的论文进行了详尽的审查。因此，他们的文章是对 1987 年首次开发的一项技术的最全面、最新的调查。

液体中的脉冲激光是发现催化剂的“不可或缺的工具”

那么液体中脉冲激光合成是如何工作的呢?

脉冲激光对准浸入液体中的固体材料。这会在固体表面附近产生高温、高压的等离子体。

随着等离子体衰变，它会蒸发周围液体中的分子，从而形成空化气泡。在气泡内，来自液体的颗粒与从固体中烧蚀或脱落的颗粒之间开始发生化学反应。

经过周期性的膨胀和收缩，空化气泡剧烈内爆，引起冲击波和快速冷却。气泡中的纳米粒子凝结成小簇，注入周围的液体中并变得稳定。

与传统的纳米材料湿实验室合成相比，液体中的脉冲激光技术具有多种优势。根据穆勒的说法：

由于反应主要限制在空化气泡内，因此所得纳米粒子具有非常均匀的特性。“制造的每个粒子都是在相同的条件下产生的，”她说。

通过调整激光脉冲和固体和周围流体的化学成分，可以很容易地微调纳米粒子的特性。

激光制造的纳米催化剂本质上比通过湿化学方法获得的催化剂更具活性。

可以很容易地生产具有非平衡结构和成分的亚稳态纳米材料。这种材料不能在中等温度和压力下制造。

激光合成可以远程控制，增加了大规模工业应用的潜力。

脉冲激光束(绿色)撞击浸入液体中的固体，触发一系列事件，产生具有受控特性的均匀纳米粒子。图片来源：阿斯特丽德·穆勒

纳米材料的脉冲激光液体合成也比传统方法快得多。该技术可以在一小时或更短的时间内制备大量的纳米颗粒。一周内可以制作 70 种材料的系统阵列。

“这些优势使其成为不可缺少的发现工具，”Müller 说，他的背景包括激光、材料和电催化方面的工作。“通常有人了解激光和材料，或者可能是电催化和材料，但很少有人同时拥有这三方面的专业知识。”

她说：“这就是促使我们写这篇论文的原因，因为 Müller 小组可以汇集所有三个领域的观点。”

催化剂如何应对气候变化

在加州理工学院担任科学家期间，Müller 率先采用了液体激光技术来制备非贵重的水分解电催化剂，该催化剂可从水中释放氧气以产生清洁的氢气。在罗切斯特，Müller 小组将她的专业知识扩展到研究激光制造的电催化剂，作为将破坏气候的二氧化碳(CO 2 ) 转化为有用液体燃料(如甲醇或乙醇)的封闭循环的一种方式。

“如果你再次燃烧这些燃料，你会再次制造 CO 2，所以你会循环往复。碳总是留在循环中，不会导致更多的气候变化，”穆勒说。“为此，我们需要催化剂，而没有人知道这些催化剂会是什么——什么会起作用，为什么，以及为什么其他催化剂不起作用。”

因此，她对使用液体脉冲激光合成来加速这一过程很感兴趣。“这非常重要，因为我们不能坐等气候变化取得最好成绩;我们现在需要研究后续技术，”她说。

到目前为止，液体中脉冲激光合成仅具有有限的商业用途。Müller 说，投资激光技术的启动成本是许多公司的绊脚石。“但随着这种方法越来越受到关注，这种情况将会改变，”她相信。

多亏了 Müller 的实验室，液体中的脉冲激光合成当然得到了更多的关注。在三周内，他们的论文已成为一种催化剂，下载量超过 1,500 次。

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