化學工業消耗大量能源,不僅要引發反應,還要從副產品中分離產品。在一個有前途的新興研究領域,全世界的科學家都在嘗試使用納米級天線來捕獲光并將其集中到微小的體積中,以便更有效、更可持續地引發化學反應。


AMOLF 的研究人員解開了這種納米級天線如何提高化學反應速率。他們還發現,使用不同顏色的光會導致完全不同的化學反應發生。

用光調節化學反應:研究人員揭開納米級天線提高化學反應速率的秘密

這項研究仍然非?;A,但它表明有可能用這些納米天線設計一個太陽能化學反應器,在其中可以選擇不同的反應 - 從而選擇不同的最終產品。這可能具有巨大的經濟和環境影響,AMOLF 的 Erik Garnett 領導的納米級太陽能電池小組的博士后 Eitan Oksenberg 說。他們將于2021 年 10 月 4 日在Nature Nanotechnology上發表這些發現。


在化學和光學的界面上,最近出現了一個新的研究領域,研究所謂的等離子體光催化過程。在這個過程中,金屬納米結構將光集中到亞納米級體積的特殊能力被用來引發化學反應。這項研究仍然是基礎性的,但這個概念非常有吸引力。原因之一是許多工業化學反應已經在金屬表面催化,Oksenberg 說,這個想法是,如果你將環境光集中到非常小的體積中,你就會得到反應熱點,在這些熱點中,不需要高溫或高壓就可以發生有效的化學反應。

用光調節化學反應:研究人員揭開納米級天線提高化學反應速率的秘密

解決歧義


無論它多么令人興奮,該領域的進展都因驅動化學反應的確切機制的模糊性而受到阻礙。Oksenberg,當納米級金屬顆粒暴露在正確顏色的光下時,它們會充當天線,將光捕獲并集中到一個非常小的體積中,這可以驅動化學反應??茖W家們仍在爭論這種反應是否直接由由金屬中形成的高能電子或電子耗散能量時在金屬中積聚的熱量產生的集中光。


調整化學反應


Oksenberg 和他的同事開發了一種方法來通過實驗區分不同的可能驅動機制。探測金屬納米粒子表面發生的事情并不簡單,因為與發生化學反應的分子相比,天線與光的相互作用要強得多,他解釋說,然而,當金屬納米粒子表面的分子發生變化時,它們會對天線造成微小的變化,例如其顏色和帶寬。通過測量一千多個單個金屬納米粒子的光反射,我們可以密切監測這些隨著時間的推移而發生變化,以了解化學反應的動力學。


研究人員希望能夠發現金屬納米天線究竟是如何增強化學反應的,但他們發現有幾種方法。即使在我們非常簡單的化學系統中,我們也看到不同顏色的光會發生不同的驅動機制,導致不同的化學反應。這意味著可以通過選擇光的顏色來調整化學反應產物。


選擇性化學


這一發現對于在化學中使用金屬納米粒子天線的未來應用非常有希望。奧克森伯格指出,作為一名科學家,我對用光調節化學反應的能力以及我們剛剛開始發現的化學的豐富性感到興奮。如果我們能夠將我們的研究擴展到可見光之外的其他顏色的光光譜,我們甚至可能會發現可以用等離子體共振觸發的全新化學途徑。這有可能成為一種破壞性技術?;谖覀儼l現的原理的化學反應器,不僅非??焖俸头浅>唧w,而且還需要非常簡單的條件,例如環境溫度,同時只需要陽光作為能源。使化學工業的可能性 這個概念更高效和可持續,具有巨大的經濟和環境影響。


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