Chemische reacties fine-tunen met licht

AMOLF onderzoekers ontrafelen hoe nano-antennes chemische reacties versterken

De chemische industrie gebruikt veel energie, niet alleen om reacties op gang te brengen, maar ook voor het scheiden van producten en bijproducten. Sinds enige jaren wordt daarom onderzoek gedaan naar manieren om met antennes op nanometerschaal de energie uit licht op te vangen en samen te brengen in miniscule chemische reactoren, zodat daarin de chemische reacties efficiënter en energiezuininger verlopen.
Onderzoekers van AMOLF hebben ontrafeld hoe zulke nano-antennes de snelheid van chemische reacties verhogen. Ze ontdekten bovendien dat het vangen van licht met een iets andere kleur, kan zorgen dat er een totaal andere chemische reactie plaatsvindt.
“Dit onderzoek is nog zeer fundamenteel, maar laat zien dat het mogelijk moet zijn om met zulke nano-antennes een chemische reactor te ontwerpen die werkt op zonlicht en waarin verschillende reactieproducten gekozen kunnen worden. Dit kan grote economische en milieutechnische implicaties hebben”, zegt Eitan Oksenberg, een postdoc in de Nanoscale Solar Cells groep van Erik Garnett op AMOLF. Zij publiceren het onderzoek in Nature Nanotechnology op 4 oktober 2021.

Op de grens van chemie en optica is onlangs een nieuw onderzoeksveld ontstaan, waarin wetenschappers het proces van zogenaamde plasmonische fotokatalyse onderzoeken. Ze gebruiken het uitzonderlijke vermogen van metalen nanostructuren om licht te concentreren in sub-nanoschaal volumes, om daarmee chemische reacties te initiëren. “Dit onderzoek is nog zeer fundamenteel, maar het concept is erg aantrekkelijk, omdat veel chemische reacties al een metaal als katalysator gebruiken”, zegt Oksenberg. “Het idee is dat je, door omgevingslicht in zeer kleine volumes te concentreren, reactiehotspots krijgt, waarin geen hoge temperatuur of druk nodig is om een efficiënte chemische reactie te laten plaatsvinden.”

Op zoek naar hoe het werkt
Hoe opwindend het onderzoeksveld ook is, de vooruitgang wordt vertraagd doordat nog veel onduidelijk is. Een van de dingen die niet goed wordt begrepen, is het exacte mechanisme dat de chemische reactie in gang zet. Oksenberg: “Als we metalen nanodeeltjes beschijnen met licht van de juiste kleur, gedragen ze zich als een antenne die het licht opvangt en concentreert in een zeer klein volume. Deze lichtconcentratie kan een chemische reactie veroorzaken, maar er is nog discussie over de vraag of de reactie direct wordt aangedreven door het geconcentreerde licht, door de hoogenergetische elektronen die ontstaan in het  metaal, of door warmte die zich in het metaal ontwikkelt wanneer de elektronen hun energie verliezen.”

Instelbare chemische reacties
Oksenberg en zijn collega’s ontwikkelden een manier om experimenteel onderscheid te maken tussen de verschillende processen die de chemie in gang zouden kunnen zetten. “Het is niet makkelijk om met licht te onderzoeken wat er aan het oppervlak van metalen nanodeeltjes gebeurt, want de nano-antenne heeft een veel sterkere interactie met licht dan de moleculen die de chemische reactie ondergaan”, legt hij uit. “Echter, als de moleculen aan de oppervlakte van het metalen nanodeeltje veranderen, verandert ook de kleur en bandbreedte van de nano-antenne. Door de reflectie van licht aan meer dan duizend individuele metalen nanodeeltjes te meten, kunnen we deze kleine veranderingen in de loop van de tijd  volgen, en daardoor een glimp te zien krijgen van hoe de chemische reactie verloopt.”
De onderzoekers verwachtten te ontdekken hoe chemische reacties precies worden aangedreven door nano-antennes, maar ze zagen dat er niet één manier was, maar meerdere. “We zagen tot onze verrassing verschillende mechanismen aan het werk bij verschillende kleuren van het licht, die zeer verschillende chemische reacties veroorzaakten. Zelfs in ons zeer eenvoudige chemische model betekent dit dat het mogelijk is om de chemische reactieproducten te bepalen door de keuze van de kleur van licht.”

Oksenberg en zijn collega’s gebruikten een configuratie van gouden nano-kubussen op een spiegel, waardoor ze een nano-antenne creëren die het licht van een specifieke kleur concentreert. Een molecuul genaamd methyleenblauw is gebonden aan de gouddeeltjes.
Kleine variaties in de grootte van zowel de gouddeeltjes als de ruimte tussen deeltje en spiegel, zorgen voor variaties in de kleur waarbij de antenne werkt, wat grote gevolgen heeft voor de chemische reactie die plaatsvindt: terwijl helderrood licht (1,9 eV) een deel van het molecuul losmaakt, raakt bij donkerrood licht (1,7 eV) het hele molecuul los van het oppervlak van het goudddeeltje.

Selectieve chemie
De ontdekking is veelbelovend voor mogelijke toepassingen van metalen nanodeeltjes als antennes in de chemische industrie. Oksenberg: “Als wetenschapper ben ik enthousiast over de mogelijkheid om chemische reacties te kunnen kiezen met licht en over de rijkdom aan chemiche mogelijkheden waar we nog maar een klein stukje van hebben gezien. Als we ons onderzoek kunnen uitbreiden naar het niet-zichtbare licht, zouden we zelfs geheel nieuwe chemische routes kunnen vinden die door dit soort nano-antennes geactiveerd worden. Dit heeft de potentie om de chemische technologie totaal te veranderen. Een chemische reactor op basis van de principes die wij hebben gezien, is niet alleen snel en zeer specifiek, maar werkt ook onder heel eenvoudige omstandigheden zoals een normale omgevingstemperatuur en heeft slechts zonlicht nodig als energiebron. Dat we hiermee de chemische industrie uiteindelijk efficiënter en duurzamer kunnen maken, heeft enorme economische en ecologische implicaties.”

Referentie
Eitan Oksenberg, Ilan Shlesinger, Angelos Xomalis, Andrea Baldi, Jeremy J. Baumberg, A. Femius Koenderink and Erik C. Garnett, Energy-resolved plasmonic chemistry in individual nanoreactors, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-021-00973-6.

open access link: https://rdcu.be/cyMva