Afstemning af kemiske reaktioner med lys

Den kemiske industri bruger meget energi, ikke kun for at igangsætte reaktioner, men også for at adskille produkter fra biprodukter. I et lovende spirende forskningsfelt, forskere verden over forsøger at bruge nanoskala-antenner til at fange og koncentrere lys i små mængder for at igangsætte kemiske reaktioner mere effektivt og bæredygtigt.

Forskere ved AMOLF afslørede, hvordan sådanne antenner i nanoskala øger hastigheden af ​​kemiske reaktioner. De opdagede også, at brug af forskellige farver af lys kan forårsage helt forskellige kemiske reaktioner.

"Denne forskning er stadig meget grundlæggende, men det viser, at det kunne være muligt at designe en sollysdrevet kemisk reaktor med disse nano-antenner, og hvori forskellige reaktioner – og dermed forskellige slutprodukter – kan vælges. Dette har potentielt enorme økonomiske og miljømæssige konsekvenser, " siger Eitan Oksenberg, en postdoc i Nanoscale Solar Cells-gruppen ledet af Erik Garnett hos AMOLF. De vil offentliggøre disse resultater i Natur nanoteknologi den 4. oktober, 2021.

I grænsefladen mellem kemi og optik, et nyt forskningsfelt er for nylig dukket op, der undersøger processen med såkaldt plasmonisk fotokatalyse. I denne proces, metal nanostrukturers enestående evne til at koncentrere lys i sub-nanoskala volumener bruges til at igangsætte kemiske reaktioner. "Denne forskning er stadig fundamental, men konceptet er meget attraktivt. En grund til det er, at mange industrielle kemiske reaktioner allerede katalyseres på overfladen af ​​metaller, " siger Oksenberg. "Ideen er, at hvis du koncentrerer omgivende lys til meget små volumener, du får reaktions-hot spots, hvor høj temperatur eller tryk ikke er nødvendig for at en effektiv kemisk reaktion kan finde sted."

Løsning af uklarheder

Hvor spændende det end måtte være, fremskridt på området hindres af tvetydigheden omkring den nøjagtige mekanisme, der driver den kemiske reaktion. Oksenberg:"Når metalpartikler i nanoskala udsættes for den rigtige lysfarve, de fungerer som antenner, der fanger og koncentrerer lys til en meget lille volumen, som kan drive en kemisk reaktion. Forskere diskuterer stadig, om sådanne reaktioner er drevet direkte af det koncentrerede lys, af højenergielektroner dannet i metallet, eller ved varme, der opbygges i metallet, når elektronerne spreder deres energi."

Tuning af kemiske reaktioner

Oksenberg og hans kolleger udviklede en måde at eksperimentelt skelne mellem de forskellige mulige drivmekanismer. "Det er ikke ligetil at undersøge, hvad der foregår på overfladen af ​​metalnanopartikler, fordi antennen viser en meget stærkere interaktion med lys end de molekyler, der gennemgår den kemiske reaktion, " forklarer han. "Men når molekylerne ændrer sig på overfladen af ​​metalnanopartikler, de forårsager små ændringer i antennen, såsom dens farve og båndbredde. Ved at måle refleksionen af ​​lys fra mere end tusinde individuelle metalnanopartikler, vi kan nøje overvåge disse ændringer over tid for at få et indblik i kinetikken af ​​den kemiske reaktion."

Forskerne forventede at være i stand til at opdage, hvordan præcist kemiske reaktioner forstærkes af metalnano-antenner, men de fandt ud af, at der er flere måder. "Selv i vores meget simple kemiske system, vi så, at forskellige drivmekanismer forekommer ved forskellige lysfarver, fører til forskellige kemiske reaktioner. Det betyder, at det er muligt at tune de kemiske reaktionsprodukter ved at vælge farven på lyset."

Selektiv kemi

Denne opdagelse er meget lovende for fremtidige applikationer ved hjælp af metal nanopartikel antenner i kemi. Oksenberg bemærker, "Som videnskabsmand Jeg er begejstret over evnen til at tune en kemisk reaktion med lys og over rigdommen af ​​den kemi, som vi lige er begyndt at afdække. Hvis vi kan udvide vores forskning til andre lysfarver uden for det synlige spektrum, vi kan endda finde helt nye kemiske veje, der kan udløses med plasmoniske resonanser. Dette har potentialet til at blive en disruptiv teknologi. En kemisk reaktor baseret på de principper, vi opdagede, er ikke kun meget hurtig og meget specifik, men kræver også meget ligetil betingelser, som den omgivende temperatur, mens den kun har brug for sollys som sin energikilde. Muligheden for at gøre den kemiske industri mere effektiv og bæredygtig med dette koncept, har enorme økonomiske og miljømæssige konsekvenser."