Afstemmen van chemische reacties met licht

De chemische industrie verbruikt veel energie, niet alleen om reacties op gang te brengen, maar ook om producten van bijproducten te scheiden. In een veelbelovend opkomend onderzoeksgebied proberen wetenschappers over de hele wereld antennes op nanoschaal te gebruiken om licht op te vangen en te concentreren in kleine volumes om chemische reacties efficiënter en duurzamer te initiëren.

Onderzoekers van AMOLF hebben ontrafeld hoe dergelijke antennes op nanoschaal de snelheid van chemische reacties verhogen. Ze ontdekten ook dat het gebruik van verschillende kleuren licht tot totaal verschillende chemische reacties kan leiden.

“Dit onderzoek is nog steeds erg fundamenteel, maar het laat zien dat het mogelijk zou kunnen zijn om een ​​door zonlicht aangedreven chemische reactor te ontwerpen met deze nano-antennes en waarin verschillende reacties – en dus verschillende eindproducten – kunnen worden gekozen. Dit heeft potentieel enorme economische en implicaties voor het milieu”, zegt Eitan Oksenberg, een postdoc in de Nanoscale Solar Cells-groep onder leiding van Erik Garnett bij AMOLF. Zij zullen deze bevindingen publiceren in Natuur Nanotechnologie op 4 oktober 2021.

Op het grensvlak van chemie en optica is onlangs een nieuw onderzoeksveld ontstaan ​​dat het proces van zogenaamde plasmonische fotokatalyse onderzoekt. In dit proces wordt het uitzonderlijke vermogen van metalen nanostructuren om licht te concentreren in sub-nanoschaalvolumes gebruikt om chemische reacties te initiëren. “Dit onderzoek is nog steeds fundamenteel, maar het concept is erg aantrekkelijk. Een reden daarvoor is dat er al veel industriële chemische reacties aan het oppervlak van metalen worden gekatalyseerd”, zegt Oksenberg. “Het idee is dat als je omgevingslicht in zeer kleine volumes concentreert, je reactiehotspots krijgt waarin geen hoge temperatuur of druk nodig is om een ​​efficiënte chemische reactie te laten plaatsvinden.”

Dubbelzinnigheden oplossen

Hoe opwindend het ook is, vooruitgang in het veld wordt belemmerd door de ambiguïteit rond het exacte mechanisme dat de chemische reactie aandrijft. Oksenberg: “Wanneer metaaldeeltjes op nanoschaal worden blootgesteld aan de juiste lichtkleur, fungeren ze als antennes die licht opvangen en concentreren in een zeer klein volume, wat een chemische reactie kan veroorzaken. Wetenschappers debatteren nog steeds of dergelijke reacties rechtstreeks worden aangedreven door de geconcentreerd licht, door de hoge energie-elektronen die in het metaal worden gevormd, of door warmte die zich in het metaal opbouwt wanneer de elektronen hun energie verdrijven.”

Afstemmen van chemische reacties

Oksenberg en zijn collega’s ontwikkelden een manier om experimenteel onderscheid te maken tussen de verschillende mogelijke aandrijfmechanismen. “Het is niet eenvoudig om te onderzoeken wat er aan het oppervlak van metalen nanodeeltjes gebeurt, omdat de antenne een veel sterkere interactie met licht vertoont dan de moleculen die de chemische reactie ondergaan”, legt hij uit. “Als de moleculen echter aan het oppervlak van het metalen nanodeeltje veranderen, veroorzaken ze kleine veranderingen aan de antenne, zoals de kleur en bandbreedte. Door de reflectie van licht van meer dan duizend afzonderlijke metalen nanodeeltjes te meten, kunnen we deze nauwkeurig volgen. verandert in de loop van de tijd om een ​​glimp op te vangen van de kinetiek van de chemische reactie.”

De onderzoekers verwachtten te kunnen ontdekken hoe chemische reacties precies worden versterkt door metalen nano-antennes, maar ze ontdekten dat er verschillende manieren zijn. “Zelfs in ons zeer eenvoudige chemische systeem zagen we dat verschillende aandrijfmechanismen optreden bij verschillende kleuren licht, wat leidde tot verschillende chemische reacties. Dit betekent dat het mogelijk is om de chemische reactieproducten af ​​te stemmen door de kleur van het licht te kiezen.”

Selectieve chemie

Deze ontdekking is veelbelovend voor toekomstige toepassingen met metalen nanodeeltjesantennes in de chemie. Oksenberg merkt op: “Als wetenschapper ben ik opgewonden door het vermogen om een ​​chemische reactie met licht af te stemmen en door de rijkdom van de chemie die we net beginnen te ontdekken. Als we ons onderzoek kunnen uitbreiden naar andere kleuren licht buiten het zichtbare spectrum kunnen we zelfs geheel nieuwe chemische routes vinden die kunnen worden geactiveerd met plasmonische resonanties.Dit heeft het potentieel om een ​​disruptieve technologie te worden.Een chemische reactor gebaseerd op de principes die we hebben ontdekt, is niet alleen erg snel en erg specifiek, maar vereist ook zeer eenvoudige omstandigheden, zoals omgevingstemperatuur terwijl alleen zonlicht als energiebron nodig is. De mogelijkheid om de chemische industrie efficiënter en duurzamer te maken met dit concept, heeft enorme economische en ecologische implicaties.”