Les nanoparticules facilitent la transformation de la lumière en électrons solvatés
Une étude éclairante fait progresser les agents réducteurs "verts".
Il existe de nombreuses façons de déclencher des réactions chimiques dans les liquides, mais placer des électrons libres directement dans l'eau, l'ammoniac et d'autres solutions liquides est particulièrement intéressant pour la chimie verte, car les électrons solvatés sont intrinsèquement propres et ne laissent aucun produit secondaire après leur réaction.
Lorsque des scientifiques font briller une lumière proche de l'ultraviolet de faible intensité sur des nanoparticules métalliques, les électrons de ces dernières oscillent. Cette oscillation, appelée plasmon, peut donner aux électrons suffisamment d'énergie pour être émis dans la solution environnante.
Rice University
En théorie, les électrons solvatés pourraient être utilisés pour décomposer de manière sûre et durable le dioxyde de carbone ou les polluants chimiques présents dans l'eau contaminée, mais il n'a pas été possible de le découvrir car il a été difficile et coûteux de les fabriquer sous forme pure.
Cela pourrait changer grâce à de nouvelles recherches menées par des chimistes de l'université Rice, de l'université Stanford et de l'université du Texas à Austin. Dans une étude publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, des chercheurs du Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) ont découvert le mécanisme longtemps recherché d'un processus bien connu mais mal compris qui produit des électrons solvatés via des interactions entre la lumière et le métal.
Lorsque la lumière frappe une nanoparticule de métal - ou des imperfections à l'échelle nanométrique sur une surface métallique plus grande - elle peut exciter des ondes d'électrons appelées plasmons. Si la fréquence des plasmons voisins correspond, ils peuvent entrer en résonance et se renforcer mutuellement. Alors que des recherches antérieures avaient suggéré que la résonance plasmonique pouvait produire des électrons solvatés, les chercheurs du CAFF - un centre d'innovation chimique financé par la National Science Foundation - sont les premiers à démontrer explicitement et quantitativement ce processus.
"Compte tenu de la longue histoire de ce domaine, le défi consistait à prouver l'existence des électrons solvatés et à établir un lien entre leur génération et la résonance plasmonique", a déclaré Stephan Link, de Rice, coauteur de l'article. "Cela a vraiment nécessité un travail d'équipe et l'expertise de plusieurs groupes de recherche".
Le premier auteur de l'étude, Alexander Al-Zubeidi, un étudiant diplômé du Rice, et ses collègues ont montré qu'ils pouvaient fabriquer des électrons solvatés en faisant briller de la lumière sur des électrodes d'argent suspendues dans l'eau. Ils ont ensuite montré qu'ils pouvaient décupler le rendement des électrons solvatés en recouvrant préalablement les électrodes de nanoparticules d'argent.
"La production d'électrons solvatés en grande quantité est très difficile", a déclaré le co-auteur Sean Roberts de l'UT Austin. "Nos résultats montrent quantitativement comment la nanostructuration de la surface des électrodes peut réellement augmenter la vitesse à laquelle elles génèrent des électrons solvatés. Cela pourrait potentiellement ouvrir de nouvelles voies pour piloter les réactions chimiques."
Les électrons solvatés - essentiellement des électrons flottant librement dans une solution comme l'eau - pourraient potentiellement réagir avec le dioxyde de carbone, le transformant en d'autres molécules utiles, y compris des carburants, d'une manière neutre en carbone net. Ces électrons pourraient également contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre en remplaçant le processus industriel de fabrication d'engrais à base d'ammoniac, très consommateur de combustibles fossiles, par une solution plus écologique. Pour le traitement des eaux contaminées, ils pourraient être utilisés pour décomposer les polluants chimiques tels que les nitrates, les chlorures organiques, les colorants et les molécules aromatiques.
"Un défi majeur reste à relever", a déclaré Christy Landes, directrice du CAFF et coauteur de l'étude, du Rice. "Les nanoparticules d'argent dans nos expériences étaient disposées au hasard, imitant les minuscules imperfections que l'on pourrait trouver à la surface d'un matériau défectueux. La prochaine étape est l'optimisation. Nous espérons améliorer la génération d'électrons solvatés de plusieurs ordres de grandeur en transposant nos résultats à des matériaux comportant des réseaux ordonnés de plasmons couplés avec des énergies de résonance spécifiques."
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