20.01.2023 - Rice University

Las nanopartículas facilitan la conversión de la luz en electrones solvatados

Un estudio esclarecedor avanza en los agentes reductores "verdes

Hay muchas formas de iniciar reacciones químicas en líquidos, pero colocar electrones libres directamente en el agua, el amoníaco y otras soluciones líquidas es especialmente atractivo para la química verde porque los electrones solvatados son intrínsecamente limpios y no dejan productos secundarios después de reaccionar.

En teoría, los electrones solvatados podrían utilizarse para descomponer de forma segura y sostenible el dióxido de carbono o los contaminantes químicos del agua contaminada, pero ha sido poco práctico averiguarlo porque ha resultado difícil y caro fabricarlos en forma pura.

Esto podría cambiar gracias a una nueva investigación de químicos de la Universidad Rice, la Universidad de Stanford y la Universidad de Texas en Austin. En un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, investigadores del Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) descubren el mecanismo de un proceso bien conocido pero poco conocido que produce electrones solvatados mediante interacciones entre la luz y el metal.

Cuando la luz incide sobre una nanopartícula metálica -o sobre imperfecciones a nanoescala en una superficie metálica mayor- puede excitar ondas de electrones denominadas plasmones. Si la frecuencia de los plasmones vecinos coincide, también pueden resonar y reforzarse mutuamente. Aunque investigaciones anteriores habían sugerido que la resonancia plasmónica podía producir electrones solvatados, los investigadores del CAFF -un centro de innovación química financiado por la National Science Foundation- son los primeros en demostrar explícita y cuantitativamente el proceso.

"Dada la larga historia de este campo, el reto consistía tanto en demostrar la existencia de electrones solvatados como en vincular su generación a la resonancia plasmónica", explica Stephan Link, de Rice, coautor del artículo. "Realmente requirió el trabajo en equipo y la experiencia de varios grupos de investigación".

El primer autor del estudio, Alexander Al-Zubeidi, estudiante de posgrado en Rice, y sus colegas demostraron que podían producir electrones solvatados haciendo brillar luz sobre electrodos de plata suspendidos en agua. Luego demostraron que podían multiplicar por diez el rendimiento de los electrones solvatados recubriendo primero los electrodos con nanopartículas de plata.

"Fabricar electrones solvatados en grandes cantidades es todo un reto", afirma Sean Roberts, de la Universidad de Texas en Austin. "Nuestros resultados muestran cuantitativamente cómo la nanoestructuración de las superficies de los electrodos puede aumentar realmente la velocidad a la que generan electrones solvatados. Esto podría abrir nuevas vías para impulsar las reacciones químicas".

Los electrones solvatados -esencialmente electrones que flotan libremente en una solución como el agua- podrían reaccionar con el dióxido de carbono, convirtiéndolo en otras moléculas útiles, incluidos los combustibles, de forma neutra en carbono. Estos electrones también podrían ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero sustituyendo el proceso industrial de fabricación de fertilizantes a base de amoniaco, que consume muchos combustibles fósiles, por una alternativa más ecológica. Para el tratamiento de aguas contaminadas, podrían utilizarse para descomponer contaminantes químicos como nitratos, cloruros orgánicos, tintes y moléculas aromáticas.

"Queda un reto clave", afirma la directora del CAFF y coautora del estudio, Christy Landes, de Rice. "Las nanopartículas de plata de nuestros experimentos se dispusieron al azar, imitando las diminutas imperfecciones que podrían encontrarse en la superficie de un material defectuoso. El siguiente paso es la optimización. Esperamos mejorar la generación de electrones solvatados en varios órdenes de magnitud trasladando nuestros hallazgos a materiales con matrices ordenadas de plasmones acoplados con energías de resonancia específicas."

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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