纳米液体中的脉冲激光助力研制有效催化剂纳米

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江苏激光联盟导读：
激光+材料+电催化三者互相配合，让旧课题呈现出了新的生命力。催化剂的研制时间或将大大缩短，大规模工业应用也或提上日程！

▲化学工程助理教授Astrid Müller说，在液体中使用脉冲激光是发现催化剂“不可或缺的工具” 。来源：University of Rochester / J. Adam Fenster
Q
化学催化剂是什么?
化学催化剂不遥远，它存在我们生活的方方面面，是生产我们日常生活中几乎所有使用的物品的变化推动剂，从塑料到处方药。当合适的催化剂与化合物混合时，原本需要数年才能相互作用的分子只需几秒钟就能完成。
Q
研究新发现在哪里？
如果仅使用传统湿化学制备工艺，用化学反应(通常在液相中)生长纳米粒子时，可能需要数月甚至数年来开发催化剂材料才能形成这种精确的原子排列。
罗切斯特大学（University of Rochester ）的研究人员用了另一种方法大大缩短了这一过程——在液体中使用脉冲激光，快速创建精调的、系统的纳米粒子阵列，这些纳米粒子易被测试，从而探索催化剂研制。化学工程助理教授Astrid Müller主要负责激光、材料和电催化方面的工作，她和其余三个合著者在《Chemical Reviews》的一篇文章中对此进行了论述，她认为这一技术可应用于可持续能源解决方案。
Q
液体脉冲激光合成是如何工作的?
脉冲激光对准浸没在液体中的固体材料，在其表面附近产生了高温高压等离子体。
随着等离子体的衰变，它会蒸发周围液体中的分子，从而产生空化气泡。在气泡内，液体中的粒子和固体中烧蚀或松动的粒子之间开始发生化学反应。
在周期性膨胀和收缩之后，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，变得稳定。
Q
液体脉冲激光合成的优势在哪里?

均匀性——因为反应主要被限制在空化气泡内，所以得到的纳米粒子具有非常均匀的性质。制造的每一个粒子都是在相同的条件下产生的。
可调性——通过调节激光脉冲以及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性质。
活性——激光制造的纳米催化剂本质上比湿化学方法获得的纳米催化剂更具活性。
适用性——可以容易地生产具有非平衡结构和成分的亚稳态纳米材料。激光合成可以远程控制，可大规模工业应用。

Q
激光合成催化剂可对抗气候变化？
穆勒开创了液体激光技术的应用，以制备非精密的水分解电催化剂，从水中释放出氧气来生产清洁的氢气。激光制造的电催化剂可将破坏气候的二氧化碳(CO?)转化为有用液体燃料(如甲醇或乙醇），并形成闭环。
▲脉冲激光束(绿色)照射浸没在液体中的固体，引发一系列事件，产生具有可控特性的均匀纳米粒子。来源：Astrid Müller
【纳米|液体中的脉冲激光助力研制有效催化剂】来源：Ryland C.Forsythe et alPulsed Laser in Liquids Made Nanomaterials for CatalysisChemical Reviews (2021).DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c01069