یکی از موضوعات مهم در طراحی نانوکاتالیست، شکل مناسب آن است. به تازگی محققان به بررسی چند شکل مختلف از نانوذرات و تاثیر زوایای ذرات در سرعت واکنش کاتالیست پرداخته‌اند.
تاثیر شکل ذرات بر فعالیت کاتالیستی نانوکاتالیست‌های فعال‌شده با نور
هنگام طراحی نانوذراتی که به کمک نور، واکنش‌های شیمیایی مهمی را انجام می‌دهند، نقاط فعال مهم هستند. محققان آزمایشگاه نانوفتونیک دانشگاه رایس (LANP) مدت‌هاست که بر روی این موضوع پژوهش انجام می‌دهند تا دریابند که شکل نانوذره چگونه بر نحوه تعامل آن‌ها با نور اثر می‌گذارد و آخرین مطالعه آن‌ها نشان می‌دهد که چگونه شکل ذرات بر توانایی کاتالیست برای استفاده از نور برای کاتالیز کردن واکنش‌های شیمیایی، موثر است.
در یک مطالعه مقایسه‌ای، محققان LANP نانوذرات آلومینیوم را با خواص نوری یکسان، اما شکل‌های متفاوت مورد مطالعه قرار دادند. یکی از ذرات مورد بررسی آن‌ها ۱۴ ضلع و ۲۴ نقطه صاف داشت. ذرات دیگری مکعبی شکل، با شش ضلعی و هشت گوشه ۹۰ درجه بود. ذرات سوم که آن را «اختاپود» نامیده‌اند، نیز شش ضلع دارد، اما هر هشت گوشه آن به یک نوک تیز ختم می‌شد.
نتایج نشان داد که هر سه گونه این مواد توانایی لازم برای را برای جذب انرژی نور دارند و به صورت دوره‌ای نور را به شکل الکترون‌های پرانرژی آزاد می‌کنند که می‌توانند واکنش‌های کاتالیزوری را سرعت بخشند. مدیر LANP، آزمایش‌هایی را انجام داد تا ببیند هر یک از این ذرات به عنوان فوتوکاتالیست برای واکنش تفکیک هیدروژن چقدر خوب عمل می‌کنند. آزمایش‌ها نشان داد که اختاپودها ۱۰ برابر بیشتر از نانوکریستال‌های ۱۴ وجهی و ۵ برابر بیشتر از نانومکعب‌ها سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. اختاپودها همچنین انرژی فعال‌سازی کمتری داشتند به نحوی که انرژی فعال‌سازی آن‌ها حدود ۴۵ درصد کمتر از نانو مکعب ها و ۴۹ درصد کمتر از نانوذرات با ۱۴ ضلع بوده است.
طبق یافته‌های این پژوهش که در مجله ACS Nano منتشر شده است، گوشه‌های تیزتر کارایی را افزایش می‌دهند. برای اختاپودها، زاویه گوشه‌ها حدود ۶۰ درجه است و این مقدار برای مکعب‌ها، ۹۰ درجه و زاویه نقاط برای نانوذرات با ۱۴ ضلع، بیشتر از ۹۰ درجه است. بنابراین هرچه زاویه کوچک‌تر باشد، بازده واکنش بیشتر می‌شود. کنترل شرایط سنتز شیمیایی ذرات کاتالیست موجب می‌شود تا بتوان اندازه زوایای نقاط را کنترل کرد.
این تیم تحقیقاتی با توسعه یک مدل نظری از فرآیند انتقال انرژی الکترون بین نانوذرات آلومینیوم فعال شده با نور و مولکول‌های هیدروژن، نتایج آزمایش‌های کاتالیزوری را تأیید کرد. یکی از پژوهشگران این تیم تحقیقاتی گفت: «ما طول موج نور و شکل ذرات را در معادلات وارد می‌کنیم. با استفاده از این دو پارامتر، می‌توانیم با دقت پیش‌بینی کنیم که کدام شکل بهترین خواص کاتالیستی را دارد.»
این مطالعه نشان می‌دهد که شکل ذرات کاتالیست عنصر طراحی دیگری است که مهندسان می‌توانند از آن برای ایجاد کاتالیست‌هایی با نرخ واکنش بالاتر و انرژی فعال‌سازی کمتر استفاده کنند.
