Hay muchas formas de iniciar reacciones químicas en líquidos, pero colocar electrones libres directamente en agua, amoníaco y otras soluciones líquidas es especialmente atractivo para la química verde porque los electrones solvatados son inherentemente limpios y no dejan productos secundarios después de reaccionar.
En teoría, los electrones solvatados podrían usarse para descomponer de manera segura y sostenible el dióxido de carbono o los contaminantes químicos en el agua contaminada, pero no ha sido práctico averiguarlo porque ha sido difícil y costoso producirlos en forma pura.
Eso podría cambiar gracias a una nueva investigación de químicos de la Universidad de Rice, la Universidad de Stanford y la Universidad de Texas en Austin. En un estudio publicado en Proceedings of the Nationwide Academy of Sciences, investigadores del Heart for Adapting Flaws into Options (CAFF) descubrieron el mecanismo largamente buscado de un proceso bien conocido pero poco entendido que produce electrones solvatados a través de interacciones entre la luz y metallic.
Cuando la luz incide en una nanopartícula de metallic, o en imperfecciones a nanoescala en una superficie metálica más grande, puede excitar ondas de electrones llamadas plasmones. Si la frecuencia de los plasmones vecinos coincide, también pueden resonar y reforzarse entre sí. Si bien investigaciones anteriores habían sugerido que la resonancia plasmónica podría producir electrones solvatados, los investigadores de CAFF, un centro de innovación química financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, son los primeros en demostrar explícita y cuantitativamente el proceso.
“Dada la larga historia del campo, el desafío period probar la existencia de electrones solvatados y luego vincular su generación a la resonancia de plasmón”, dijo Stephan Hyperlink de Rice, coautor del artículo. “Realmente requirió trabajo en equipo y experiencia de varios grupos de investigación”.
El primer autor del estudio, Alexander Al-Zubeidi, estudiante graduado de Rice, y sus colegas demostraron que podían producir electrones solvatados al iluminar electrodos de plata suspendidos en agua. Luego demostraron que podían aumentar diez veces el rendimiento de los electrones solvatados al recubrir primero los electrodos con nanopartículas de plata.
“Hacer electrones solvatados en grandes cantidades es muy desafiante”, dijo el coautor Sean Roberts de UT Austin. “Nuestros resultados muestran cuantitativamente cómo la nanoestructuración de las superficies de los electrodos puede realmente aumentar la velocidad con la que generan electrones solvatados. Eso podría potencialmente abrir nuevas formas de impulsar las reacciones químicas”.
Los electrones solvatados, esencialmente electrones que flotan libremente en una solución como el agua, podrían reaccionar potencialmente con el dióxido de carbono, convirtiéndolo en otras moléculas útiles, incluidos los combustibles, de una manera neutra en carbono neto. Estos electrones también podrían ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar el proceso industrial pesado de combustibles fósiles para hacer fertilizantes a base de amoníaco con una alternativa más ecológica. Para el tratamiento de aguas contaminadas, podrían utilizarse para descomponer contaminantes químicos como nitratos, cloruros orgánicos, colorantes y moléculas aromáticas.
“Queda un desafío clave”, dijo la directora de CAFF y coautora del estudio, Christy Landes, de Rice. “Las nanopartículas de plata en nuestros experimentos se organizaron al azar, imitando las pequeñas imperfecciones que se pueden encontrar en la superficie de un materials defectuoso. El siguiente paso es la optimización. Esperamos mejorar la generación de electrones solvatados en varios órdenes de magnitud al traducir nuestros hallazgos a materiales con conjuntos ordenados de plasmones acoplados con energías de resonancia específicas”.
Informe de investigación:“Mecanismo para electrones solvatados generados por plasmones”
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