Team opnår to-elektron kemiske reaktioner ved hjælp af lysenergi, guld

Forskere er et skridt tættere på at bygge et kulstofgenbrugssystem, der kan høste solenergi for effektivt at omdanne CO2 og vand til flydende brændstoffer. Ved at optimere mange dele af systemet, siger forskerne, de kan nu drive to-elektron kemiske reaktioner, et væsentligt fremskridt i forhold til en-elektron-reaktioner, som er energiineffektive.

Forskningen, rapporteret i journalen Naturkemi , vil hjælpe dem, der håber at finde en måde at omdanne overskydende kuldioxid i atmosfæren til nyttige energikilder, sagde University of Illinois kemiprofessor Prashant Jain, der ledede den nye forskning.

"Forskere ser ofte på planter for at få indsigt i metoder til at vende sollys, kuldioxid og vand til brændstoffer, " han sagde.

Når solenergi rammer planteblade, det exciterer elektronerne i klorofyl. Disse ophidsede elektroner driver i sidste ende kemien, der omdanner kuldioxid og vand til glucose.

"Mange af disse kemiske reaktioner er multiproton, multielektron reaktioner, " sagde Jain.

Men i stedet for at stole på bionedbrydelige plantepigmenter til at omdanne lysenergi til kemisk energi, videnskabsmænd vender sig mod noget bedre:elektronrige metalkatalysatorer som guld, som ved specifikke lysintensiteter og bølgelængder kan overføre fotoexciterede elektroner og protoner til reaktanter uden at blive nedbrudt eller brugt op.

"I vores undersøgelse, vi brugte sfæriske guldpartikler, der er 13 til 14 nanometer store, " sagde Jain. "Nanopartiklerne har unikke optiske egenskaber, afhængigt af deres størrelse og form."

Når den er belagt med en polymer og suspenderet i vand, for eksempel, nanopartiklerne absorberer grønt lys og reflekterer en dyb rød farve. Under let excitation, nanopartiklerne overfører elektroner til probemolekyler, som så skifter farve. Dette giver forskerne mulighed for at måle, hvor effektivt elektronoverførselsreaktionerne finder sted.

"Forskere har tidligere formået at bruge fotokemi og disse lysabsorberende materialer til at overføre en elektron ad gangen, " sagde Jain. "Men i den nye undersøgelse, vi har identificeret principperne og reglerne og betingelserne, hvorunder en metalnanopartikelkatalysator kan overføre to elektroner ad gangen."

Ved at variere intensiteten af ​​laserlys brugt i eksperimenterne, Jain og hans kolleger opdagede, at med fire til fem gange intensiteten af ​​solenergi, guld-nanopartiklerne i systemet kunne overføre op til to elektroner ad gangen fra ethanol til en elektronhungrende sonde.

To-elektron reaktioner er langt at foretrække frem for en-elektron reaktioner, sagde Jain.

"Du har brug for et par elektroner for at lave en binding mellem atomer, " sagde han. "Når du ikke giver et par elektroner - og et par protoner for at neutralisere tabet af elektroner - ender du med at danne frie radikaler, som er meget reaktive og kan tilbagereagere, spilder den energi, du brugte til at skabe dem. De kan også reagere med andre kemikalier eller ødelægge din katalysator."

Jain konkluderede også, at nylige eksperimenter, hans laboratorium udførte ved hjælp af det samme system, også indebar multielektron, multiproton overførsel. I de eksperimenter, hans laboratorium omdannede CO2 til ethan, en to-kulstofforbindelse, der er mere energirig end metan, som kun indeholder ét kulstof. Jain og hans kolleger håber på til sidst at kunne generere propan, som har en tre-carbon rygrad, og butan, som har fire.

"Fra et kemisynspunkt, det er interessant at forstå reglerne for at binde kulstofatomer sammen, " sagde Jain. "Overførsel af mere end én elektron ad gangen, aktivering af mere end et kuldioxidmolekyle ad gangen på overfladen af ​​nanopartikelkatalysatoren kan give os adgang til højere kulbrinter."

Mens de nye resultater repræsenterer et vigtigt skridt fremad, Der skal gøres meget mere arbejde, før denne teknologi er klar til at blive ansat og opskaleret for at imødekomme aktuelle udfordringer, sagde Jain.

"Der er stadig lang vej igen. Jeg tror, ​​vi skal bruge mindst et årti til at finde praktisk CO2-binding, CO2-fiksering, brændstofdannelsesteknologier, der er økonomisk gennemførlige, " sagde han. "Men hver indsigt i processen forbedrer det tempo, hvormed forskersamfundet kan bevæge sig."