Nanodeeltjes vergemakkelijken de transformatie van licht in gesolvateerde elektronen

In theorie zouden gesolvateerde elektronen kunnen worden gebruikt om koolstofdioxide of chemische verontreinigende stoffen in verontreinigd water veilig en duurzaam af te breken, maar dit was onmogelijk te ontdekken omdat ze in pure vorm moeilijk en duur te vervaardigen waren.

Dat zou kunnen veranderen dankzij nieuw onderzoek van chemici van Rice University, Stanford University en de University of Texas in Austin. In een studie gepubliceerd in de Procedures van de National Academy of Sciencesonderzoekers van Fault-to-Feature Matching Center (CAFF) heeft het lang gezochte mechanisme ontdekt van een bekend maar slecht begrepen proces dat gesolvateerde elektronen produceert via interacties tussen licht en metaal.

Wanneer licht een metalen nanodeeltje raakt – of imperfecties op nanoschaal op een groter metalen oppervlak – kan het golven van elektronen opwekken, genaamd plasmonen. Als de frequentie van naburige plasmonen overeenkomt, kunnen ze ook resoneren en elkaar versterken.

Terwijl eerder onderzoek heeft gesuggereerd plasmon resonantie gesolvateerde elektronen zouden kunnen produceren, zijn onderzoekers van CAFF – een door de National Science Foundation gefinancierd centrum voor chemische innovatie – de eersten die het proces expliciet en kwantitatief demonstreren.

« Gezien de lange geschiedenis van het veld, was de uitdaging om het bestaan ​​​​van gesolvateerde elektronen te bewijzen en vervolgens hun generatie te koppelen aan de plasmonresonantie,  » zei Rice. Stephan Link, corresponderende co-auteur van het artikel. “Het vergde echt teamwork en de expertise van verschillende onderzoeksgroepen. »

Eerste auteur van de studie Alexander Al-Zubeidi, een afgestudeerde student van Rice, en zijn 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 konden vertienvoudigen door de elektroden eerst te coaten met zilveren nanodeeltjes.

« Het maken van gesolvateerde elektronen in grote hoeveelheden is erg moeilijk », zei de co-corresponderende auteur Sean Robert van UT Austin. « Onze resultaten laten kwantitatief zien hoe nanostructurerende elektrode-oppervlakken de snelheid waarmee ze gesolvateerde elektronen genereren echt kunnen verhogen. Dit kan mogelijk nieuwe manieren openen om chemische reacties te veroorzaken.

Gesolvateerde elektronen – in wezen vrij zwevende elektronen in een oplossing zoals water – zouden mogelijk kunnen reageren met kooldioxide, waardoor het op een koolstofneutrale manier in andere bruikbare moleculen, waaronder brandstoffen, kan veranderen.

Deze elektronen kunnen ook helpen de uitstoot van broeikasgassen te verminderen door het fossiele brandstofintensieve industriële proces voor het maken van op ammoniak gebaseerde meststoffen te vervangen door een groener alternatief. Om verontreinigd water te behandelen, kunnen ze worden gebruikt om chemische verontreinigende stoffen zoals nitraten, organische chloriden, kleurstoffen en aromatische moleculen af ​​te breken.

« Er blijft een grote uitdaging bestaan », zegt CAFF-directeur en co-auteur van de studie Christy Landes rijst. « De zilveren nanodeeltjes in onze experimenten waren willekeurig gerangschikt en bootsten de kleine onvolkomenheden na die op het oppervlak van een defect materiaal konden worden gevonden. De volgende stap is optimalisatie. We hopen de generatie van gesolvateerde elektronen met verschillende ordes van grootte te verbeteren door onze bevindingen te vertalen in materialen met geordende roosters van gekoppelde plasmonen met specifieke resonantie-energieën.

Bron: rijst universiteit