As nanopartículas tornam mais fácil transformar a luz em elétrons

Em teoria, os elétrons solvatados poderiam ser usados ​​para quebrar de forma segura e sustentável o dióxido de carbono ou poluentes químicos em água contaminada, mas tem sido impraticável descobrir porque é difícil e caro produzi-los na forma pura.

Isso pode mudar graças a novas pesquisas de químicos da Rice University, da Stanford University e da University of Texas em Austin. Em um estudo publicado no Anais da Academia Nacional de Ciênciaspesquisadores do Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) descobriram o mecanismo há muito procurado de um processo bem conhecido, mas pouco compreendido, que produz elétrons solvatados por meio de interações entre luz e metal.

Quando a luz atinge uma nanopartícula metálica – ou imperfeições em nanoescala em uma superfície metálica maior – ela pode excitar ondas de elétrons chamadas plasmons. Se a frequência dos plasmons vizinhos corresponder, eles também podem ressoar e reforçar um ao outro. Embora pesquisas anteriores tenham sugerido que a ressonância plasmônica poderia produzir elétrons solvatados, os pesquisadores do CAFF – um centro de inovação química financiado pela National Science Foundation – são os primeiros a demonstrar explícita e quantitativamente o processo.

“Dada a longa história do campo, o desafio era provar a existência de elétrons solvatados e também vincular sua geração à ressonância de plasmon”, disse Stephan Link, de Rice, co-autor correspondente do artigo. “Realmente exigiu trabalho em equipe e experiência de vários grupos de pesquisa.”

O primeiro autor do estudo, Alexander Al-Zubeidi, um estudante de pós-graduação em Rice, e seus colegas mostraram que podiam produzir elétrons solvatados ao iluminar eletrodos de prata suspensos na água. Eles então mostraram que poderiam aumentar dez vezes o rendimento dos elétrons solvatados revestindo primeiro os eletrodos com nanopartículas de prata.

“Produzir elétrons solvatados em grandes quantidades é muito desafiador”, disse o co-autor Sean Roberts, da UT Austin. “Nossos resultados mostram quantitativamente como a nanoestruturação de superfícies de eletrodos pode realmente aumentar a taxa com a qual eles geram elétrons solvatados. Isso poderia potencialmente abrir novas maneiras de conduzir reações químicas.”

Elétrons solvatados – essencialmente elétrons flutuando livremente em uma solução como a água – poderiam potencialmente reagir com dióxido de carbono, transformando-o em outras moléculas úteis, incluindo combustíveis, de maneira neutra em carbono. Esses elétrons também podem ajudar a reduzir as emissões de gases de efeito estufa, substituindo o processo industrial pesado de combustível fóssil para fazer fertilizantes à base de amônia por uma alternativa mais verde. Para o tratamento de água contaminada, eles podem ser usados ​​para decompor poluentes químicos como nitratos, cloretos orgânicos, corantes e moléculas aromáticas.

“Um desafio importante permanece”, disse o diretor do CAFF e coautor do estudo, Christy Landes, da Rice. “As nanopartículas de prata em nossos experimentos foram dispostas aleatoriamente, imitando as pequenas imperfeições que podem ser encontradas na superfície de um material defeituoso. O próximo passo é a otimização. Esperamos aumentar a geração de elétrons solvatados em várias ordens de magnitude, traduzindo nossas descobertas para materiais com matrizes ordenadas de plasmons acoplados com energias de ressonância específicas.”

Roberts é professor associado de química na UT Austin. Link é o professor de Química Charles W. Duncan Jr.-Welch de Rice, e Landes é o presidente de Química Kenneth S. Pitzer-Schlumberger de Rice. Os outros autores co-correspondentes do estudo são Jennifer Dionne, professora associada de ciência e engenharia de materiais em Stanford, e Peter Rossky, cadeira de Harry C. e Olga K. Wiess de Rice em Ciências Naturais e professor de química e de engenharia química e biomolecular. .

A pesquisa foi apoiada por uma bolsa NSF (2124983), CAFF e Robert A. Welch Foundation.