Учёные исследуют различные способы использования света вместо тепла для более эффективного запуска химических реакций, что может значительно сократить количество отходов, потребление энергии и зависимость от невозобновляемых ресурсов.
Команда исследователей-химиков из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне изучает плазмонно-индуцированный резонансный перенос энергии (PIRET) — передачу энергии от крошечной металлической частицы к полупроводнику или молекуле без физического контакта.
«Если вы хотите проводить химические реакции с помощью света, то ваш первый шаг — максимально эффективно использовать этот свет», — говорит профессор химии Иллинойского университета Кристи Ландес, возглавляющая исследовательскую группу, изучающую эти инновационные исследования. «И один из наиболее эффективных способов использования света — это применение плазмонных металлических наночастиц, поскольку они лучше, чем любой другой материал, поглощают и рассеивают свет».
В статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследовательская группа демонстрирует, как этот резонансный перенос энергии от золотого наностержня к молекуле, в данном случае синтетическому синему красителю, может эффективно преобразовывать световую энергию в различные формы, пока она не станет частью конечного продукта реакции, в данном случае полимерного гибрида.
Их экспериментальное исследование показывает потенциал PIRET для изменения будущего химических реакций, запускаемых светом, и его потенциал как энергоэффективного способа проведения новых химических реакций, позволяя при этом создавать передовые гибридные наноматериалы способом, отличным от традиционного катализа с переносом заряда.
«Мы можем проводить новый тип полимеризации, который проходит через совершенно другой промежуточный путь, чем реакция полимеризации в массе», — говорит Ландес. «Это происходит совсем не так, как реакция, инициированная теплом или давлением. И это действительно особенная часть нашей работы».
Профессор химии Иллинойского университета Стефан Линк, соруководитель исследовательской группы, говорит, что потенциал этого метода в создании новых реакций и различных материалов также очень интересен. «Мы изучаем механизмы, чтобы потенциально разработать реакции, которые в противном случае были бы невозможны», — говорит Линк.
Несколько проблем ограничивают практическое применение PIRET, включая максимизацию эффективности передачи энергии и чёткое понимание того, как это работает. Другая задача — возможность инициирования реакции, запускаемой светом.
Исследовательская группа пролила новый свет на эти вопросы, применив различные методы для глубокого изучения своей специфической реакции полимеризации с помощью PIRET и подтверждения своих выводов. Они использовали in-operando одночастичную спектроэлектрохимию — передовой метод, который позволил наблюдать в режиме реального времени передачу энергии на наноуровне.
Их выводы подтверждаются спектроскопическими данными, электрохимией и расчётами функционала плотности. Благодаря такой комбинации данных исследователи подробно описали в своём исследовании каскадный процесс передачи энергии от фотона к плазмону, а затем к экситону, который завершается уникальной химической трансформацией, запускаемой светом.
«Мы, по сути, показали все звенья этой цепи: наши частицы могут очень сильно поглощать свет; энергия может быть очень эффективно передана молекулам, находящимся вне наночастицы; и мы можем проводить новый тип полимеризации», — объясняет Ландес.
Согласно исследованию, реакция, запускаемая PIRET, продемонстрировала энергетическую спонтанность и начала работать при более низкой энергии, чем объёмная электрополимеризация, типичный метод изготовления полимеров с помощью электричества. Они также сообщают, что их реакция достигла максимальной эффективности PIRET в 40%, что подчёркивает потенциал PIRET в фотокаталитических системах следующего поколения.