Il existe de nombreuses façons d’initier réactions chimiques dans les liquidesmais placer des électrons libres directement dans l’eau, l’ammoniac et d’autres solutions liquides est particulièrement intéressant pour chimie verte car électrons solvatés sont intrinsèquement propres, ne laissant aucun produit secondaire après leur réaction.
Lorsque les scientifiques font briller une lumière proche de l’ultraviolet de faible intensité sur des nanoparticules métalliques, les électrons des nanoparticules oscillent. Cette oscillation, appelée plasmon, peut donner aux électrons suffisamment d’énergie pour émettre dans la solution environnante. Crédit image : Université Rice
En théorie, les électrons solvatés pourraient être utilisés pour décomposer en toute sécurité et de manière durable le dioxyde de carbone ou les polluants chimiques dans l’eau contaminée, mais il a été impossible de le découvrir car ils ont été difficiles et coûteux à fabriquer sous forme pure.
Cela pourrait changer grâce à de nouvelles recherches menées par des chimistes de l’Université Rice, de l’Université de Stanford et de l’Université du Texas à Austin. Dans une étude publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesdes chercheurs du Centre d’adaptation des défauts aux fonctionnalités (CAFF) a 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 métallique – 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 également résonner et se renforcer mutuellement.
Alors que des recherches antérieures avaient suggéré résonance plasmonique pourrait 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 le processus.
« Compte tenu de la longue histoire du domaine, le défi consistait à prouver l’existence d’électrons solvatés, puis à lier leur génération à la résonance plasmon », a déclaré Rice. Stéphane Lien, co-auteur correspondant de l’article. « Cela a vraiment demandé un travail d’équipe et l’expertise de plusieurs groupes de recherche. »
Premier auteur de l’étude Alexandre Al-Zubeidi, un étudiant diplômé de Rice, et ses collègues ont montré qu’ils pouvaient fabriquer des électrons solvatés en faisant briller la lumière sur des électrodes d’argent en suspension dans l’eau. Ils ont ensuite montré qu’ils pouvaient décupler le rendement en électrons solvatés en revêtant d’abord les électrodes de nanoparticules d’argent.
Une électrode recouverte de nanoparticules d’argent de 95 nanomètres. Crédit image : Université Rice
« Fabriquer des électrons solvatés en grande quantité est très difficile », a déclaré l’auteur co-correspondant Sean Robert de l’UT Austin. «Nos résultats montrent quantitativement comment la nanostructuration des surfaces d’électrodes peut vraiment augmenter la vitesse à laquelle elles génèrent des électrons solvatés. Cela pourrait potentiellement ouvrir de nouvelles façons de provoquer des 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.
Ces électrons pourraient également aider à réduire les émissions de gaz à effet de serre en remplaçant le processus industriel à forte consommation de combustibles fossiles pour la fabrication d’engrais à base d’ammoniac par une alternative plus verte. Pour traiter l’eau contaminée, 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 demeure », a déclaré le directeur du CAFF et co-auteur de l’étude Christy Landes de riz. « Les nanoparticules d’argent de nos expériences étaient disposées au hasard, imitant les minuscules imperfections que l’on pouvait 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 traduisant nos découvertes en matériaux avec des réseaux ordonnés de plasmons couplés avec des énergies de résonance spécifiques.
Source: Université du riz
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