Написати автору Фотоіндуковане прискорення хімічних реакцій сферичними моно- і біметалевими наночастинками
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.02.171
Анотація
В роботі розглянуто задачу про вибір складу, структури та розміру сферичних наночастинок-каталізаторів для проведення реакцій плазмон-індукованої полімеризації. Подано концепцію зниження енергії активації реакції в присутності каталізатора і, відповідно, збільшення швидкості хімічної реакції при розігріві за рахунок збудження поверхневого плазмонного резонансу. З використанням моделі Друде для діелектричної функції отримані співвідношення для частотних залежностей таких характеристик як дійсна і уявна частини поляризовaності, розігрів і швидкість хімічних реакцій при використанні як монометалевих і біметалевих наночастинок каталізаторів, а також підсилення полів в їхньому околі. Уявлення, розвинуті в роботі, враховують класичну розмірну залежність ефективної швидкості релаксації електронів у монометалевих і біметалевих наночастинках у припущенні дифузного розсіювання електронів. Проаналізовано зміни положення максимумів уявної частини поляризовaності, розігріву та швидкості реакції при зміні радіусів монометалевих та біметалевих наночастинок. Показано, що максимуми досліджуваних залежностей відповідають дипольним поверхневим плазмонним резонансам, які залежить від морфології частинки. Досліджено зміни величини підсилення електричних полів в околі наночастинок різної морфології. Встановлено, що підсилення полів у всіх випадках максимально на поверхні наночастинки і зменшується при віддаленні від неї. Сформульовано практичні рекомендації щодо вибору розмірів, складу та будови наночастинок для плазмонного каталізу, які забезпечують найбільші швидкості хімічних реакцій. Так, всі отримані частотні залежності мають один максимум для монометалевих і два максимуми для біметалевих наночастинок.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. (Springer-Verlag, 2007). https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1
2. Hartland G.V. Optical studies of dynamics in noble metal nanostructures. Chem. Rev. 2011. 111(6): 3858. https://doi.org/10.1021/cr1002547
3. Boltasseva A., Atwater H.A. Low-loss plasmonic metamaterials. Science. 2011. 331(6015): 290. https://doi.org/10.1126/science.1198258
4. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. (N.Y.: Wiley-VCH, 1998). https://doi.org/10.1002/9783527618156
5. Kelly K.L., Coronado E., Zhao L.L., Schatz G.C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J. Phys. Chem. B. 2003. 107: 668. https://doi.org/10.1021/jp026731y
6. Grady N.K., Halas N.J., Nordlander P. Influence of dielectric function properties on the optical response of plasmon resonant metallic nanoparticles. Chem. Phys. Lett. 2004. 399: 167. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.09.154
7. Grigorchuk N.I. Size and shape effect on optical conductivity of metal nanoparticles. EPL. 2018. 121(6): 67003. https://doi.org/10.1209/0295-5075/121/67003
8. Smirnova N.A., Korotun A.V., Titov I.M. An influence of the adsorbed molecules layer on the localized surface plasmons in the spherical metallic nanoparticles. Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni. 2022. 13(4): 476. https://doi.org/10.15407/hftp13.04.476
9. Jain P.K., Lee K.S., El-Sayed I.H., El-Sayed M.A. Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: applications in biological imaging and biomedicine. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(14): 7238. https://doi.org/10.1021/jp057170o
10. Korotun A.V., Pavlyshche N.I. Cross sections for absorption and scattering of electromagnetic radiation by ensembles of metal nanoparticles of different shapes. Phys. Met. Metall. 2021. 122: 941. https://doi.org/10.1134/S0031918X21100057
11. Schuller J.A., Barnard E.S., Cai W., Jun Y.C., White J.S., Brongersma M.L. Plasmonics for extreme light concentration and manipulation. Nat. Mater. 2010. 9: 193. https://doi.org/10.1038/nmat2630
12. Moskovits M. Surface-enhanced spectroscopy. Rev. Mod. Phys. 1985. 57(3): 783. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.57.783
13. Langer J., Jimenez de Aberasturi D., Aizpurua J., Alvarez-Puebla R.A., Auguié B., Baumberg J.J., Bazan G.C., Bell S.E.J., Boisen A., Brolo A.G., Choo J., Cialla-May D., Deckert V., Fabris L., Faulds K., Javier García de Abajo F., Goodacre R., Graham D., Haes A.J., Haynes Ch.L., Huck Ch., Itoh T., Käll M., Kneipp J., Kotov N.A., Kuang H., Le Ru E.C., Lee H.K., Li J.-F., Yi Ling X., Maier S.A., Mayerhöfer T., Moskovits M., Murakoshi K., Nam J.-M., Nie Sh., Ozaki Yu., Pastoriza-Santos I., Perez-Juste J., Popp J., Pucci A., Reich S., Ren B., Schatz G.C., Shegai T., Schlücker S., Tay Li-Lin, Thomas K.G., Tian Zh.-Q., Van Duyne R.P., Vo-Dinh T., Wang Yu., Willets K.A., Xu Ch., Xu H., Xu Y., Yamamoto Y.S., Zhao B., Liz-Marzán L.M. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano. 2020. 14(1): 28. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b04224
14. Stewart M.E., Anderton C.R., Thompson L.B., Maria J., Gray S.K., Rogers J.A., Nuzzo R.G. Nanostructured plasmonic sensors. Chem. Rev. 2008. 108(2): 494. https://doi.org/10.1021/cr068126n
15. de Aberasturi D.J., Serrano-Montes A.B., Liz-Marzán L.M. Modern Applications of Plasmonic Nanoparticles: From Energy to Health. Adv. Optic. Mater. 2015. 3(5): 602. https://doi.org/10.1002/adom.201500053
16. Lal S., Link S., Halas N.J. Nano-optics from sensing to waveguiding. Nat. Photonics. 2007. 1: 641. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.223
17. Liu L., Corma A. Metal catalysts for heterogeneous catalysis: from single atoms to nanoclusters and nanoparticles. Chem. Rev. 2008. 118(10): 4981. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00776
18. Watanabe K., Menzel D., Nilius N., Freund H.-J. Photochemistry on metal nanoparticles. Chem. Rev. 2006. 106(10): 4301. https://doi.org/10.1021/cr050167g
19. Campbell C.T., Parker S.C., Starr D.E. The effect of size-dependent nanoparticle energetics on catalyst sintering. Science. 2002. 298(5594): 811. https://doi.org/10.1126/science.1075094
20. Naldoni A., Riboni F., Guler U., Boltasseva A., Shalaev V.M., Kildishev A.V. Solar-powered plasmon-enhanced heterogeneous catalysis. Nanophotonics. 2016. 5(1): 112. https://doi.org/10.1515/nanoph-2016-0018
21. Bonn M., Funk S., Hess Ch., Denzler D.N., Stampfl C., Scheffler M., Wolf M., Ertl G. Phonon-versus electron-mediated desorption and oxidation of CO on Ru(0001). Science. 1999. 285(5430): 1042. https://doi.org/10.1126/science.285.5430.1042
22. Tan S., Argondizzo A., Ren J., Liu L., Zhao J., Petek H. Plasmonic coupling at a metal/semiconductor interface. Nat. Photonics. 2017. 11: 806. https://doi.org/10.1038/s41566-017-0049-4
23. Hou W., Cronin S.B. A review of surface plasmon resonance-enhanced photocatalysis. Adv. Fun. Mater. 2013. 23(13): 1612. https://doi.org/10.1002/adfm.201202148
24. Boerigter C., Aslam U., Linic S. Mechanism of charge transfer from plasmonic nanostructures to chemically attached materials. ACS Nano. 2016. 10(6): 6108. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b01846
25. Brooks J.L., Warkentin C.L., Saha D., Keller E.L., Frontiera R.R. Toward a mechanistic understanding of plasmon-mediated photocatalysis. Nanophotonics. 2018. 7(11): 1697. https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0073
26. Hövel H., Fritz S., Hilger A., Kreibig U., Vollmer M. Width of cluster plasmon resonances: bulk dielectric functions and chemical interface damping. Phys. Rev. B. 1993. 48: 18178. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.18178
27. Olson J., Dominguez-Medina S., Hoggard A., Wang L.-Y., Chang W.-S., Link S. Optical characterization of single plasmonic nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 2015. 44(1): 40. https://doi.org/10.1039/C4CS00131A
28. Foerster B., Joplin A., Kaefer A., Celiksoy S., Link S., Sönnichsen C. Chemical interface damping depends on electrons reaching the surface. ACS Nano. 2017. 11(3): 2886. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b08010
29. Seemala B., Therrien A.J., Lou M., Li K., Finzel K., Qi J., Nordlander P., Christopher P. Plasmon-mediated catalytic O2 dissociation on ag nanostructures: Hot electrons or near Fields? ACS Energy Lett. 2019. 4(8): 1803. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00990
30. Trinh T.T., Sato R., Sakamoto M., Fujiyoshi Y., Haruta M., Kurata H., Teranishi T. Visible to near-infrared plasmon-enhanced catalytic activity of Pd hexagonal nanoplates for the Suzuki coupling reaction. Nanoscale. 2015. 7(29): 12435. https://doi.org/10.1039/C5NR03841C
31. Yang Q., Xu Q., Yu S.H., Jiang H.L. Pd Nanocubes@ZIF‐8: Integration of Plasmon‐Driven Photothermal Conversion with a Metal-Organic Framework for Efficient and Selective Catalysis. Angew. Chem. 2016. 128(11): 3749. https://doi.org/10.1002/ange.201510655
32. Nguyen M., Kherbouche I., Gam-Derouich S., Ragheb I., Lau-Truong S., Lamouri A., Mangeney C. Regioselective surface functionalization of lithographically designed gold nanorods by plasmon-mediated reduction of aryl diazonium salts. Chem. Commun. 2017. 53(82): 11364. https://doi.org/10.1039/C7CC05974D
33. Deeb C., Ecoffet C., Bachelot R., Plain J., Bouhelier A., Soppera O. Plasmon-based free-radical photopolymerization: effect of diffusion on nanolithography processes. J. Am. Chem. Soc. 2017. 133(27): 10535. https://doi.org/10.1021/ja201636y
34. Wang Y., Wang S., Zhang S., Scherman O.A., Baumberg J.J., Ding T., Xu H. Plasmon-directed polymerization: Regulating polymer growth with light. Nano Res. 2018. 11(12): 6384. https://doi.org/10.1007/s12274-018-2163-0
35. Guselnikova O., Váňa J., Phuong L.T., Panov I., Rulíšek L., Trelin A., Postnikov P., Švorčík V., Andris E., Lyutakov O. Plasmon-assisted click chemistry at low temperature: an inverse temperature effect on the reaction rate. Chem. Sci. 2021. 12: 5591. https://doi.org/10.1039/D0SC05898J
36. Guselnikova O., Olshtrem A., Kalachyova Y., Panov I., Postnikov P., Švorčík V., Lyutakov O. Plasmon Catalysis on Bimetallic Surface-Selective Hydrogenation of Alkynes to Alkanes or Alkenes. J. Phys. Chem. C. 2018. 122(46): 26613. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b07398
37. Korotun A.V., Pogosov V.V. On the Calculation of Optical Characteristics and Dimensional Shifts of Surface Plasmons of Spherical Bimetallic Nanoparticles. Phys. Solid State. 2021. 63(1): 122. https://doi.org/10.1134/S1063783421010133
38. Korotun A.V., Koval A.O., Pogosov V.V. Optical parameters of bimetallic nanospheres. Ukr. J. Phys. 2021. 66(6): 518. https://doi.org/10.15407/ujpe66.6.518
39. Aslam U., Rao V.G., Chavez S., Linic S. Catalytic conversion of solar to chemical energy on plasmonic metal nanostructures. Nat. Catal. 2018. 1: 656. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0138-x
40. Linic S., Aslam U., Boerigter C., Morabito M. Photochemical transformations on plasmonic metal nanoparticles. Nat. Mater. 2015. 14(6): 567. https://doi.org/10.1038/nmat4281
41. Gargiulo J., Berté R., Li Y., Maier S.A., Cortés E. From Optical to Chemical Hot Spots in Plasmonics. Acc. Chem. Res. 2019. 52(9): 2525. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00234
42. Ageev V.N. Desorption induced by electronic transitions. Prog. Surf. Sci. 1994. 47(1-2): 55. https://doi.org/10.1016/0079-6816(94)90014-0
43. Prodan E., Radloff C., Halas N.J., Nordlander P. A Hybridization Model for the Plasmon Response of Complex Nanostructures. Science. 2003. 302(5644): 419. https://doi.org/10.1126/science.1089171
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.02.171
Copyright (©) 2024 N. A. Smirnova, A. V. Korotun, R. A. Kulykovskyi
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.