Nanodeeltjes maken het gemakkelijker om licht om te zetten in gesolvateerde elektronen

Er zijn veel manieren om chemische reacties in vloeistoffen op gang te brengen, maar het rechtstreeks plaatsen van vrije elektronen in water, ammoniak en andere vloeibare oplossingen is vooral aantrekkelijk voor groene chemie, omdat gesolvateerde elektronen inherent schoon zijn en geen bijproducten achterlaten nadat ze hebben gereageerd.

In theorie zouden gesolvateerde elektronen kunnen worden gebruikt om koolstofdioxide of chemische verontreinigende stoffen in verontreinigd water veilig en duurzaam af te breken, maar het was onpraktisch om erachter te komen omdat het moeilijk en duur was om ze in zuivere vorm te maken.

Dat zou kunnen veranderen dankzij nieuw onderzoek van chemici van Rice University, Stanford University en de University of Texas in Austin. In een gepubliceerde studie in de Procedures van de National Academy of Sciencesontdekten onderzoekers van het Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) het lang gezochte mechanisme van een bekend maar slecht begrepen proces dat gesolvateerde elektronen produceert via interacties tussen licht en metaal.

Wanneer licht een metalen nanodeeltje raakt – of onvolkomenheden op nanoschaal op een groter metalen oppervlak – kan het golven van elektronen opwekken, plasmonen genaamd. Als de frequentie van naburige plasmonen overeenkomt, kunnen ze ook resoneren en elkaar versterken. Hoewel eerder onderzoek had gesuggereerd dat plasmonische resonantie gesolvateerde elektronen zou kunnen produceren, zijn de onderzoekers van CAFF de eersten die het proces expliciet en kwantitatief demonstreren.

“Gezien de lange geschiedenis van het veld, was de uitdaging zowel het bestaan ​​​​van gesolvateerde elektronen te bewijzen als vervolgens ook hun generatie te koppelen aan de plasmonresonantie, ” zei Rice’s Stephan Link, een co-corresponderende auteur van het artikel. “Het vereiste echt teamwork en expertise van verschillende onderzoeksgroepen.”

Studie eerste auteur Alexander Al-Zubeidi, een afgestudeerde student aan Rice, en collega’s toonden aan dat ze gesolvateerde elektronen konden maken door licht te laten schijnen op zilveren elektroden die in water waren gesuspendeerd. Vervolgens toonden ze aan dat ze de opbrengst van gesolvateerde elektronen tienvoudig konden verhogen door de elektroden eerst te coaten met zilveren nanodeeltjes.

“Het maken van gesolvateerde elektronen in grote hoeveelheden is een grote uitdaging”, zegt co-corresponderende auteur Sean Roberts van UT Austin. “Onze resultaten laten kwantitatief zien hoe nanostructurering van elektrode-oppervlakken de snelheid waarmee ze gesolvateerde elektronen genereren echt kan verhogen. Dat zou mogelijk nieuwe manieren kunnen openen om chemische reacties aan te sturen.”

Gesolvateerde elektronen – in wezen vrij zwevende elektronen in een oplossing zoals water – zouden mogelijk kunnen reageren met kooldioxide, waardoor het op een netto koolstofneutrale manier in andere bruikbare moleculen, waaronder brandstoffen, kan veranderen. Deze elektronen zouden ook kunnen helpen de uitstoot van broeikasgassen te verminderen door het fossiele brandstof-zware industriële proces voor het maken van op ammoniak gebaseerde meststoffen te vervangen door een groener alternatief. Voor de behandeling van verontreinigd water kunnen ze worden gebruikt om chemische verontreinigende stoffen zoals nitraten, organische chloriden, kleurstoffen en aromatische moleculen af ​​te breken.

“Er blijft een belangrijke uitdaging bestaan”, zegt CAFF-directeur en co-auteur Christy Landes van Rice. “De zilveren nanodeeltjes in onze experimenten waren willekeurig gerangschikt, waarbij de kleine onvolkomenheden werden nagebootst die men op het oppervlak van een gebrekkig materiaal zou kunnen vinden. De volgende stap is optimalisatie. We hopen de generatie van gesolvateerde elektronen met verschillende ordes van grootte te verbeteren door onze bevindingen te vertalen naar materialen met geordende reeksen gekoppelde plasmonen met specifieke resonantie-energieën.”