(Phys.org)—Van aardolieraffinage tot voedselverwerking, de overgrote meerderheid van commerciële chemische toepassingen omvat katalysatoren om de snelheid van chemische reacties te regelen. Alles wat de efficiëntie van katalysatoren kan verhogen, kan een wijdverbreide impact hebben op deze gebieden. In een nieuwe studie, wetenschappers hebben aangetoond dat een efficiëntieverbetering mogelijk is door "hete" elektronen (die met een zeer hoge energie) te creëren uit een metalen oppervlak waarop de chemische reactie plaatsvindt, en het gebruik van de elektronen om de chemische reactie te beheersen en efficiënter te maken.

De onderzoekers, onder leiding van professoren Peter Nordlander en Naomi J. Halas van Rice University in Houston, Texas, en professor Emily A. Carter van Princeton University, New Jersey, hebben hun studie over de techniek om de katalytische chemie te verbeteren gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

In hun methode de onderzoekers gebruikten een laser met zichtbaar licht om een ​​gouden nanodeeltjesoppervlak (het katalysatoroppervlak) bij kamertemperatuur te verlichten. Het binnenkomende laserlicht prikkelt optisch oppervlakteplasmonen op het metalen oppervlak, en de plasmonen vervallen dan in hete elektronen. Vanwege hun hoge energie, de hete elektronen strekken zich verder van de nanodeeltjes uit dan elektronen met lagere energieën. Als er een ander atoom of molecuul in de buurt is dat het elektron kan opnemen, het hete elektron kan overgaan in de elektronische toestanden van die acceptor.

Bij deze experimenten de onderzoekers adsorbeerden H ₂ moleculen op het gouden nanodeeltjesoppervlak, een procedure die vaak wordt uitgevoerd in heterogene katalyse, waarin de geadsorbeerde moleculen fungeren als reactanten. De onderzoekers vonden, als het belangrijkste resultaat van hun onderzoek, dat sommige van de hete elektronen zouden kunnen overgaan in de gesloten schillen van de H ₂ moleculen en ervoor zorgen dat de twee waterstofatomen scheiden, of dissociëren. Dit proces, genaamd "plasmon-geïnduceerde dissociatie van H ₂ op Au, " zou de efficiëntie van bepaalde chemische reacties kunnen verbeteren.

"Bij veel belangrijke chemische reacties, de snelheidsbeperkende stap is de dissociatie van gesloten omhulselmoleculen zoals een waterstofmolecuul, "Nordlander vertelde" Phys.org . "Als deze reactiestap kan worden 'afhandeld' (met behulp van ons aangetoonde hete elektronenproces), de reactie kan veel sneller verlopen en minder energie vereisen."

Om de dissociatie te meten, de onderzoekers stelden het nanodeeltjessubstraat bloot aan zowel H ₂ en D ₂ (twee atomen deuterium, een waterstofisotoop met één neutron). Als de hete elektronen deze moleculen zouden dissociëren, het zou resulteren in de vorming van ZvH-moleculen. De onderzoekers vonden dat, zodra ze de laser aanzetten, de snelheid van HD-vorming op het oppervlak van nanodeeltjes nam met een factor 6 toe. Ze maten ook dat de snelheid sterk afhankelijk was van de concentratie en grootte van de gouden nanodeeltjes. De onderzoekers legden uit dat, in zekere zin, de elektronen "doen het onmogelijke" omdat er zonder hen geen dissociatie zou zijn.

"Een waterstofmolecuul geadsorbeerd op een macroscopisch goudoppervlak dissocieert niet spontaan, zelfs bij hoge temperaturen, " zei Nordlander. "Het is een onmogelijke chemische reactie. De energie voor dissociatie is simpelweg te groot. We hebben precies om deze reden gekozen voor het waterstof-goudsysteem. We wilden een systeem waarbij de interpretatie van het effect eenvoudig was. Op andere metalen, zoals overgangsmetalen, een waterstofmolecuul kan spontaan dissociëren, in het bijzonder in de buurt van defecten en bij verhoogde temperaturen. Maar niet op goud."

Deze resultaten laten zien hoe het veld van plasmonica - waarbij interacties tussen fotonen en nanostructuren betrokken zijn - toepassingen kan hebben op het gebied van katalytische chemie, in het bijzonder fotokatalyse, De onderzoekers hopen dat deze demonstratie van het vermogen om chemische reacties met behulp van licht te beheersen, kan worden uitgebreid voor specifieke toepassingen. Door de laserfrequentie te gebruiken om de oppervlakteplasmonresonanties af te stemmen, het kan mogelijk zijn om hete elektronen te creëren met specifieke energieën die specifieke elektronische toestanden van moleculen bevolken die op het oppervlak van nanodeeltjes zijn geadsorbeerd.

"De onmiddellijke toepassing is om de efficiëntie van metallische katalysatoren te verbeteren door ze te verlichten met licht, " zei Nordlander. "Onze groepen hebben een zeer 'groene agenda' en het is onze bedoeling om nieuwe soorten katalysatoren te ontwerpen die worden aangedreven door zonlicht. Dit is iets wat we hier in Houston in overvloed hebben.

"Een andere belangrijke toepassing is om te onderzoeken in hoeverre we chemische reacties kunnen sturen en beheersen door hete elektronen van bepaalde energieën over te laten gaan naar specifieke moleculaire orbitalen. Dit is een relatief onontgonnen onderzoeksonderwerp. Normale elektronen hebben positieve energieën en zijn veel 'heter' dan onze hete elektronen. Dergelijke hoogenergetische elektronen blijven doorgaans niet lang genoeg op een molecuul om de atomen te laten bewegen."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Phys.org.