Chemici hebben een nieuwe, efficiëntere methode om door licht gestuurde reacties uit te voeren, het openen van een ander mogelijk pad om zonlicht te benutten voor energie. Het journaal Wetenschap publiceert de nieuwe methode, die is gebaseerd op plasmon - een speciale beweging van elektronen die betrokken zijn bij de optische eigenschappen van metalen.

"We hebben een nieuwe en onverwachte manier ontdekt om plasmonisch metaal te gebruiken dat potentieel heeft voor gebruik bij de conversie van zonne-energie, " zegt Tim Lian, hoogleraar fysische chemie aan Emory University en de hoofdauteur van het onderzoek. "We hebben aangetoond dat we de hoogenergetische elektronen kunnen oogsten die worden opgewekt door licht in plasmon en deze energie vervolgens kunnen gebruiken om chemie te doen."

Plasmon is een collectieve beweging van vrije elektronen in een metaal dat licht sterk absorbeert en verstrooit. Een van de meest levendige voorbeelden van oppervlakteplasmon is te zien in de ingewikkelde glas-in-loodramen van sommige middeleeuwse kathedralen, een effect bereikt door gouden nanodeeltjes die zichtbaar licht absorberen en verstrooien. Plasmon is zeer afstembaar:het variëren van de grootte en vorm van de gouden nanodeeltjes in het glas regelt de kleur van het uitgestraalde licht.

De moderne wetenschap onderzoekt en verfijnt het gebruik van deze plasmonische effecten voor een reeks mogelijke toepassingen, van elektronica tot medicijnen en hernieuwbare energie.

Lians laboratorium, die gespecialiseerd is in het onderzoeken van door licht aangedreven ladingsoverdracht voor omzetting van zonne-energie, geëxperimenteerd met manieren om plasmon te gebruiken om dat proces efficiënter en duurzamer te maken.

Goud wordt vaak gebruikt als katalysator, een stof die chemische reacties aanstuurt, maar niet als fotokatalysator:een materiaal om licht te absorberen en vervolgens chemie te doen met de energie die door het licht wordt geleverd.

Tijdens fotokatalyse, een metaal absorbeert licht sterk, snel veel elektronen opwinden. "Stel je elektronen voor die op en neer klotsen in het metaal, " zegt Lian. "Als je ze eenmaal op dit niveau hebt opgewonden, ze vallen meteen naar beneden. Alle energie komt heel snel als warmte vrij - in picoseconden."

De onderzoekers wilden een manier vinden om de energie in de aangeslagen elektronen op te vangen voordat deze als warmte vrijkwam en vervolgens hete elektronen te gebruiken om reacties te voeden.

Door te experimenteren, ze ontdekten dat het koppelen van nanostaafjes van cadmiumselenide, een halfgeleider, aan een plasmonische gouden nanodeeltjestip lieten de geëxciteerde elektronen in het goud ontsnappen in het halfgeleidermateriaal.

"Als je een materiaal gebruikt met een bepaald energieniveau dat sterk kan hechten aan plasmon, dan kunnen de aangeslagen elektronen in het materiaal ontsnappen en op het hoge energieniveau blijven, " zegt Lian. "We hebben laten zien dat je elektronen kunt oogsten voordat ze neerstorten en ontspannen, en combineer de katalytische eigenschap van plasmon met zijn lichtabsorberend vermogen."

In plaats van warmte te gebruiken om scheikunde te doen, dit nieuwe proces gebruikt metalen en licht om fotochemie te doen, het openen van een nieuwe, mogelijk efficiënter, methode voor verkenning.

"We zijn nu aan het kijken of we andere elektronenacceptoren kunnen vinden die in hetzelfde proces zouden werken, zoals een molecuul of moleculaire katalysator in plaats van cadmiumselenide, " zegt Lian. "Dat zou van dit proces een algemeen schema maken met veel verschillende mogelijke toepassingen."

De onderzoekers willen ook onderzoeken of de methode door licht aangedreven wateroxidatie efficiënter kan aansturen. Het gebruik van zonlicht om water te splitsen om waterstof op te wekken is een belangrijk doel in de zoektocht naar betaalbare en duurzame zonne-energie.

"Het is een moeilijke uitdaging om onbeperkt zonlicht te gebruiken om elektronen te verplaatsen en katalytische kracht af te tappen. maar we moeten manieren vinden om dit te doen, ' zegt Lian. 'We hebben geen keus. Zonne-energie is de enige energiebron die de groeiende menselijke bevolking kan ondersteunen zonder catastrofale gevolgen voor het milieu."