کاهش کربن مونوکسید به هیدروکربن ها با نانوذره های فوتوکاتالیستی پلاسمونی طلا

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقاله 10، دوره 17، شماره 1، خرداد 1402، صفحه 96-109   

نوع مقاله: پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jacr.2023.1977531.2085

نویسندگان

مریم سلیمانی¹؛ مریم درگاهی²؛ مهدی پورفتح^{* 3}

¹پژوهشگر پسادکترا، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

²استادیار گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

³دانشیار مهندسی برق دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

چکیده

بررسی برهم­کنش بین نانوذره­های پلاسمونی و گونه جذب­شده بر آن برای کاربردهای فوتوکاتالیستی-پلاسمونی بسیار مهم است. شناسایی سازوکار واکنش­ها در حالت پایه و تعیین ویژگی نوری در حالت‌های تحریک‌شده، به­دلیل مسیرهای پیچیده حامل‌ها، چالش برانگیز است. در این پژوهش، کاهش فوتوکاتالیستی کربن مونو‌کسید (CO) به هیدروکربن­ها بر سطح نانوذره­های طلا با استفاده از نظریه تابع چگالی بررسی شد. بررسی انرژی‌های آزاد گیبس و سدهای انرژی فعال‌سازی واکنش­ها نشان داد که نخستین گام در کاهش مولکول CO تشکیل *CHO به جای *COH است که از راه سازوکار ترجیحی انتقال مستقیم هیدروژن به CO پیش می­رود. افزون­براین، با محاسبه­های نظریه تابع چگالی وابسته به زمان، جذب نوری وابسته به اندازه­ نانوذره­های طلا (ساختار بیست­وجهی) با توجه به تشدید پلاسمونی سطحی جای­گیر بررسی شد. تجزیه جذب نوری، نوسان گروهی الکترون‌های ظرفیت را در لایه جذب­شده مولکول­های CO بر نانوذره طلا نشان ‌داد. این مطالعه راهگشای تولید پایدار سوخت با انرژی خورشیدی است.

کلیدواژه‌ها

فوتوکاتالیست؛ پلاسمون؛ کربن مونوکسید؛ جذب نوری؛ متان

مراجع

[1] Novotny, L.; Hecht, B.; “Principles of nano-optics”, Cambridge University Press, UK, 2006.

[2] Brongersma, M.L.; Halas, N.J.; Nordlander, P.; Nature Nanotechnology 10, 25–34, 2015.

[3] Gieseking, R.L.M.; Materials Horizons 9, 25–42, 2022.

[4] Mayer, K.M.; Jason, H.H.; Chemical Reviews 111(6), 3828-3857, 2011.‏

[5] Kim, M.; Lin, M.; Son, J.; Xu, H.; Nam, J.M.; Advanced Optical Materials 5(15), 1700004, 2017.‏

[6] Yu, S.; Wilson, A.J.; Heo, J.; Jain, P.K.; Nano Letters 18(4), 2189-2194, 2018.‏

[7] Zugermeier, M.; Gruber, M.; Schmid, M.; Klein, B.P.; Ruppenthal, L.; Müller, P.; Einholz, R.; Hieringer, W.; Berndt, R.; Bettinger, H.F.; Gottfried, J.M.; Nanoscale 9(34), 12461-12469, 2017.

[8] Chen, L.; Tang, C.; Jiao, Y.; Qiao, S. Z.; ChemSusChem. 14(2), 671-678, 2021.

[9] Barzaga, R.; Hernández, M.P.; Aguilar-Galindo, F.; Dĺaz-Tendero, S.; The Journal of Physical Chemistry C, 124(18), 9924-9939, 2020.‏

[10] Peng, H.; Tang, M. T.; Liu, X.; Schlexer Lamoureux, P.; Bajdich, M.; Abild-Pedersen, F.; Energy & Environmental Science 14(1), 473-482, 2021.‏

[11] Chen, L.; Medlin, J.W.; Grönbeck, H.; ACS Catalysis 11(5), 2735-2745, 2021.‏

[12] Nguyen, T.N.; Guo, J.; Sachindran, A.; Li, F.; Seifitokaldani, A.; Dinh, C.T.; Journal of Materials Chemistry A 9(21), 12474-12494, 2021.‏

[13] Blöchl, P.E.; Physical Review B 50(24), 17953–17979, 1994.

[14] Kresse, G.; Furthmüller, J.; Physical Review B 54, 11169-11186, 1996.‏

[15] Perdew, J.P.; Burke, K.; Ernzerhof, M.; Physical Review Letters 77, 3865–3868, 1996.

[16] Monkhorst, H.J.; Pack, J.D.; Physical Review B 13, 5188–5192 (1976).

[17] Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H.; the Journal of Chemical Physics 132, 154104, 2010.

[18] Grimme, S.; Ehrlich, S.; Goerigk, L.; Journal of Computational Chemistry 32(7), 1456-1465, 2011.‏

[19] Jacobs, P.; “Thermodynamics”, Imperial College Press, UK, 2013.‏

[20] Kuisma, M.; Ojanen, J.; Enkovaara, J.; Rantala, T.T.; Physical Review B 82, 115106, 2010.

[21] Larsen, A.H.; Vanin, M.; Mortensen, J.J.; Thygesen, K.S.; Jacobsen, K.W.; Physical Review B 80, 195112, 2009.

[22] Enkovaara, J.; Rostgaard, C.; Mortensen, J.J.; Chen, J.; Dułak, M.; Ferrighi, L.; Gavnholt, J.; Glinsvad, C.; Haikola, V.; Hansen, H.A.; Kristoffersen, H.H.; Kuisma, M.; Larsen, A.H.; Lehtovaara, L.; Ljungberg, M.; Lopez-Acevedo, O.; Moses, P.G.; Ojanen, J.; Olsen, T.; Petzold, V.; Romero, N.A.; Stausholm-Møller, J.; Strange, M.; Tritsaris, G.A.; Vanin, M.; Walter, M.; Hammer, B.; Häkkinen, H.; Madsen, G.K.H.; Nieminen, R.M.; Nørskov, J.K.; Puska, M.; Rantala, T.T.; Schiøtz, J.; Thygesen, K.S. ; Jacobsen, K.W. ; Journal of Physics: Condensed Matter 22(25), 253202, 2010.

[23] Yabana, K.; Bertsch, G.; Physical Review B 54, 4484–4487, 1996.

[24] Ran, J.; Jaroniec, M.; Qiao, S.Z.; Advanced Materials 30, 1704649, 2018.

[25] Li, X.; Sun, Y.; Xu, J.; Shao, Y.; Wu, J.; Xu, X.; Pan, Y.; Ju, H.; Zhu J.; Xie, Y.; Nature Energy 4(8), 690–699, 2019.

[26] Bradley, M.K.; Kreikemeyer Lorenzo, D.; Unterberger, W.; Duncan, D.A.; Lerotholi, T.J.; Robinson, J.; Woodruff, D.P.; Physical Review Letters 105, 086101, 2010.

[27] Busch, D.G.; Ho, W.; Physical Review Letters 77, 1338–1341, 1996.

[28] Linic, S.; Christopher, P.; Xin, H.; Marimuthu, A.; Accounts of Chemical Research 46, 1890–1899 (2013).

[29] Zhang, X.G.; Zhang, L.; Feng, S.; Qin, H.; Wu, D. Y.; Zhao, Y.; The Journal of Physical Chemistry Letters 12, 1125-1130, 2021.

[30] Liu, M.; Pang, Y.; Zhang, B.; De Luna, P.; Voznyy, O.; Xu, J.; Zheng, X.; Dinh, C. T.; Fan, F.; Cao, C.; De Arquer, F.P.G.; Safaei, T.S.; Mepham, A.; Klinkova, A.; Kumacheva, E.; Filleter, T.; Sinton, D.; Kelley, S.O.; Sargent, E.H.; Nature 537, 382–386, 2016.

[31] Peterson, A.A.; Abild-Pedersen, F.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Nørskov, J.K.; Energy & Environmental Science 3, 1311–1315, 2010.

[32] Hirunsit, P., The Journal of Physical Chemistry C 117, 8262–8268, 2013.

[33] Durand, W.J., Peterson, A.A.; Studt, F.; Abild-Pedersen, F.; Nørskov, J.K.; Surface Science 605, 1354–1359, 2011.

[34] Nie, X.; Luo, W.; Janik M.J.; Asthagiri, A.; Journal of Catalysis 312, 108-122, 2014.‏

[35] Schouten, K.J.P.; Kwon, Y.; Van Der Ham, C.J.M.; Qin, Z.; Koper, M.T.M.; Chemical Science, 2, 1902–1909, 2011.

[36] Cave, E.R.; Montoya, J.H.; Kuhl, K.P.; Abram, D.N.; Hatsukade, T.; Shi, C.; Hahn, C.; Nørskov, J.K.; Jaramillo, T. F.; Physical Chemistry Chemical Physics 19, 15856–15863, 2017.

[37] Gameel, K.M.; Sharafeldin, I.M.; Abourayya, A.U.; Biby, A.H.; Allam, N.K.; Physical Chemistry Chemical Physics 20, 25892–25900, 2018.

[38] Figueiredo, M.C.; Hiltrop, D.; Sundararaman, R.; Schwarz, K.A.; Koper, M.T.M.; Electrochimica Acta 281, 127-132, 2018.‏

[39] Sauter, E.; Gilbert, C.O.; Morin, J.F.; Terfort, A.; Zharnikov, M.; The Journal of Physical Chemistry C 122, 19514–19523, 2018.

[40] Roman, T.; Groß, A.; Physical Review Letters 110, 156804, 2013.

[41] Michaelides, A.; Hu, P.; Lee, M.H.; Alavi, A.; King, D.A.; Physical Review Letters 90(24), 246103, 2013.

[42] Bagus, P.S.; Woll, C.; Wieckowski, A.; Surface Science 603(2), 273-283, 2009.‏

[43] Häberlen, O.D.; Chung, S.C.; Stener, M.; Rösch, N.; The Journal of Chemical Physics 106(12), 5189-5201, 1997.‏

[44] Koga, K.; Sugawara, K.; Surface Science 529(1-2), 23-35, 2003.‏

[45] Alvarez, M.M.; Khoury, J.T.; Schaaff, T.G.; Shafigullin, M.N.; Vezmar, I.; Whetten, R.L.; The Journal of Physical Chemistry B 101, 3706–3712, 1997.

[46] Malola, S.; Lehtovaara, L.; Enkovaara, J.; Häkkinen, H; ACS Nano 7, 10263–10270, 2013.

[47] Casida, M.E.; "Recent Advances in Density Functional Methods: (Part I)", World Scientific, USA, 1995.

[48] Piccini, G.; Havenith, W.; Broer, R.; Stener, M.; The Journal of Physical Chemistry C 117(33), 17196-17204, 2013.‏

[49] Conley, K.M.; Nayyar, N.; Rossi, T.P.; Kuisma, M.; Turkowski, V.; Puska, M.J.; Rahman, T.S.; ACS Nano 13(5), 5344-5355, 2019.‏

[50] Rossi, T.P.; Kuisma, M.; Puska, M.J.; Nieminen, R.M.; Erhart, P.; Journal of Chemical Theory and Computation 13, 4779–4790, 2017.

[51] Yannouleas, C.; Broglia, R.A.; Brack, M.; Bortignon, P.F.; Physical Review Letters 63(3), 255-258, 1989.‏

[52] Xiang, H.; Zhang, X.; Neuhauser, D.; Lu, G.; The Journal of Physical Chemistry Letters 5, 1163–1169, 2014.

[53] Malola, S.; Kaappa, S.; Häkkinen, H.; The Journal of Physical Chemistry C 123, 20655–20663, 2019.

[54] Yang, H.; Wang, Y.; Chen, X.; Zhao, X.; Gu, L.; Huang, H.; Yan, J.; Xu, C.; Li, G.; Wu, J.; Edwards, A. J.; Dittrich, B.; Tang, Z.; Wang, D.; Lehtovaara, L.; Häkkinen, H.; Zheng, N.; Nature Communications 7(1), 1-8, 2016.

[55] Malola, S.; Lehtovaara, L.; Häkkinen, H.; The Journal of Physical Chemistry C 118(34), 20002-20008, 2014.‏