20.01.2023 - Rice University

Nanopartikel machen es einfacher, Licht in gelöste Elektronen zu verwandeln

Studie bringt "grüne" Reduktionsmittel voran

Es gibt viele Möglichkeiten, chemische Reaktionen in Flüssigkeiten auszulösen, aber die direkte Einbringung freier Elektronen in Wasser, Ammoniak und andere flüssige Lösungen ist für die grüne Chemie besonders attraktiv, weil solvatisierte Elektronen von Natur aus sauber sind und nach der Reaktion keine Nebenprodukte hinterlassen.

Theoretisch könnten gelöste Elektronen verwendet werden, um Kohlendioxid oder chemische Schadstoffe in verunreinigtem Wasser sicher und nachhaltig abzubauen, aber es war bisher nicht möglich, dies herauszufinden, weil es schwierig und teuer war, sie in reiner Form herzustellen.

Das könnte sich dank neuer Forschungsergebnisse von Chemikern der Rice University, der Stanford University und der University of Texas in Austin ändern. In einer in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie haben Forscher des Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) den lange gesuchten Mechanismus eines bekannten, aber schlecht verstandenen Prozesses aufgedeckt, bei dem durch Wechselwirkungen zwischen Licht und Metall solvatisierte Elektronen entstehen.

Wenn Licht auf ein Metallnanopartikel - oder auf nanoskalige Unvollkommenheiten auf einer größeren Metalloberfläche - trifft, kann es Elektronenwellen, so genannte Plasmonen, anregen. Wenn die Frequenz benachbarter Plasmonen übereinstimmt, können sie auch in Resonanz treten und sich gegenseitig verstärken. Während frühere Forschungsarbeiten darauf hindeuteten, dass plasmonische Resonanz solvatisierte Elektronen erzeugen könnte, sind die Forscher vom CAFF - einem von der National Science Foundation finanzierten Zentrum für chemische Innovation - die ersten, die diesen Prozess explizit und quantitativ nachweisen konnten.

"In Anbetracht der langen Geschichte des Fachgebiets bestand die Herausforderung darin, sowohl die Existenz solvatisierter Elektronen nachzuweisen als auch ihre Erzeugung mit der Plasmonenresonanz in Verbindung zu bringen", so Stephan Link von Rice, einer der Mitautoren der Studie. "Das erforderte wirklich Teamarbeit und Fachwissen von mehreren Forschungsgruppen.

Der Erstautor der Studie, Alexander Al-Zubeidi, ein Doktorand an der Rice University, und seine Kollegen zeigten, dass sie solvatisierte Elektronen erzeugen konnten, indem sie in Wasser suspendierte Silberelektroden mit Licht bestrahlten. Sie zeigten dann, dass sie die Ausbeute an gelösten Elektronen um das Zehnfache steigern konnten, indem sie die Elektroden zunächst mit Silbernanopartikeln beschichteten.

"Die Herstellung von gelösten Elektronen in großen Mengen ist eine große Herausforderung", sagt Sean Roberts von der UT Austin, Mitautor der Studie. "Unsere Ergebnisse zeigen quantitativ, wie die Nanostrukturierung von Elektrodenoberflächen die Geschwindigkeit, mit der sie gelöste Elektronen erzeugen, deutlich erhöhen kann. Das könnte möglicherweise neue Wege zur Steuerung chemischer Reaktionen eröffnen.

Solvatisierte Elektronen - im Wesentlichen frei schwebende Elektronen in einer Lösung wie Wasser - könnten potenziell mit Kohlendioxid reagieren und es in andere nützliche Moleküle, einschließlich Kraftstoffe, umwandeln, und zwar auf kohlenstoffneutrale Weise. Diese Elektronen könnten auch zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen, indem sie den mit fossilen Brennstoffen belasteten industriellen Prozess zur Herstellung von Düngemitteln auf Ammoniakbasis durch eine umweltfreundlichere Alternative ersetzen. Bei der Aufbereitung von verunreinigtem Wasser könnten sie zum Abbau von chemischen Schadstoffen wie Nitraten, organischen Chloriden, Farbstoffen und aromatischen Molekülen eingesetzt werden.

"Eine zentrale Herausforderung bleibt bestehen", so CAFF-Direktorin und Studienmitautorin Christy Landes von Rice. "Die Silber-Nanopartikel in unseren Experimenten waren zufällig angeordnet und ahmten die winzigen Unvollkommenheiten nach, die man auf der Oberfläche eines fehlerhaften Materials finden könnte. Der nächste Schritt ist die Optimierung. Wir hoffen, die Erzeugung gelöster Elektronen um mehrere Größenordnungen zu verbessern, indem wir unsere Erkenntnisse auf Materialien mit geordneten Anordnungen von gekoppelten Plasmonen mit spezifischen Resonanzenergien übertragen."

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