纳米颗粒更容易将光转化为溶剂化电子

在液体中引发化学反应的方法有很多，但将自由电子直接放入水、氨和其他液体溶液中对绿色化学尤其有吸引力，因为溶剂化的电子本质上是清洁的，反应后不会留下任何副产物。

从理论上讲，溶剂化电子可以被用来安全、可持续地分解污染水中的二氧化碳或化学污染物，但要发现这一点是不切实际的，因为要以纯形式制造它们既困难又昂贵。

这要感谢莱斯大学、斯坦福大学和德克萨斯大学奥斯汀分校化学家的新研究。在《美国国家科学院院刊》发表的一项研究中，来自缺陷转化为特征中心(CAFF)的研究人员发现了一种众所周知但鲜为人知的过程的长期探索机制，该过程通过光和金属之间的相互作用产生溶剂化电子。

当光照射到金属纳米颗粒(或较大金属表面上的纳米级缺陷)时，会激发一种叫做等离子体激元的电子波。如果相邻等离子体激元的频率匹配，它们也可以发生共振并相互加强。虽然先前的研究表明等离子共振可以产生溶剂化电子，但CAFF的研究人员(由美国国家科学基金会资助的化学创新中心)首次明确和定量地证明了这一过程。

“考虑到该领域的悠久历史，挑战在于既要证明溶剂化电子的存在，又要将它们的产生与等离子体共振联系起来，”莱斯大学的Stephan Link说，他是该论文的共同通讯作者。“这确实需要几个研究小组的团队合作和专业知识。”

该研究的第一作者，莱斯大学的研究生Alexander Al-Zubeidi和他的同事们展示了他们可以通过照射悬浮在水中的银电极来制造溶剂化电子。然后他们证明，通过首先在电极上涂上银纳米颗粒，他们可以将溶剂化电子的产量提高十倍。

德克萨斯大学奥斯汀分校的联合通讯作者肖恩·罗伯茨说:“大量制造溶剂化电子非常具有挑战性。”“我们的研究结果定量地显示了电极表面的纳米结构如何真正提高它们产生溶剂化电子的速度。这可能会开辟驱动化学反应的新方法。”

溶剂化电子——本质上是在溶液中自由漂浮的电子，比如水——可能会与二氧化碳发生反应，以净碳中性的方式将其转化为其他有用的分子，包括燃料。这些电子还可以帮助减少温室气体排放，用更环保的替代品取代化石燃料重的工业生产氨基化肥的过程。对于污水的处理，它们可以用来分解化学污染物，如硝酸盐、有机氯化物、染料和芳香族分子。

“一个关键的挑战仍然存在，”CAFF主任、研究报告的合著者、莱斯大学的克里斯蒂·兰德斯说。“我们实验中的银纳米颗粒是随机排列的，模拟了人们可能在有缺陷的材料表面发现的微小缺陷。下一步是优化。我们希望通过将我们的发现转化为具有特定共振能量的耦合等离子体元有序阵列的材料，将溶剂化电子的生成提高几个数量级。”

参考:王志强，王志强，王志强，等。等离子体产生溶剂化电子的机理。PNAS．2023年,120 (3):e2217035120。doi:10.1073 / pnas.2217035120

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