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特别有吸引力，因为溶剂化电子本质上是干净的，不会留下任何痕迹反应后的副产物。
从理论上讲，溶剂化电子可用于安全、可持续地分解受污染水中的二氧化碳或化学污染物，但要找到它是不切实际的，因为它们很难以纯形式制造，而且成本很高。
由于莱斯大学、斯坦福大学和德克萨斯大学奥斯汀分校化学家的新研究，这种情况可能会改变。在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，缺陷适应特征中心(CAFF) 的研究人员 揭示了人们长期寻求的机制，即通过光与光之间的相互作用产生溶剂化电子的众所周知但知之甚少的过程。金属。
当光照射到金属纳米粒子——或较大金属表面上的纳米级缺陷——时，它可以激发称为等离激元的电子波。如果相邻等离子体的频率匹配，它们也可以产生共振并相互加强。虽然之前的研究表明等离子体共振可以产生溶剂化电子，但来自美国国家科学基金会资助的化学创新中心 CAFF 的研究人员是第一个明确和定量地证明这一过程的人。
“鉴于该领域的悠久历史，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，”莱斯大学的斯蒂芬林克说，他是该论文的共同通讯作者。“这确实需要多个研究小组的团队合作和专业知识。”
研究的第一作者、莱斯大学的研究生Alexander Al-Zubeidi及其同事表明，他们可以通过将光照射在悬浮在水中的银电极上来制造溶剂化电子。然后他们表明，他们可以通过首先在电极上涂上银纳米粒子，将溶剂化电子的产量提高十倍。
“大量制造溶剂化电子非常具有挑战性，”德克萨斯大学奥斯汀分校的共同通讯作者肖恩·罗伯茨说。“我们的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率。这可能会开辟驱动化学反应的新方法。”
溶剂化电子——本质上是在像水这样的溶液中自由漂浮的电子——可能会与二氧化碳发生反应，以净碳中和的方式将其转化为其他有用的分子，包括燃料。这些电子还可以通过用更环保的替代品取代化石燃料重工业生产氨基肥料来帮助减少温室气体排放。对于受污染的水的处理，它们可用于分解化学污染物，如硝酸盐、有机氯化物、染料和芳香分子。
“一个关键的挑战仍然存在，”CAFF 主任和研究合著者赖斯的克里斯蒂兰德斯说。“我们实验中的银纳米粒子是随机排列的，模仿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有序耦合等离子体激元阵列的材料，将溶剂化电子的产生提高几个数量级。”
罗伯茨是德克萨斯大学奥斯汀分校的化学副教授。Link 是 Rice 的 Charles W. Duncan Jr.-Welch 化学教授，Landes 是 Rice 的 Kenneth S. Pitzer-Schlumberger 化学。该研究的其他共同通讯作者是斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne和Rice 的 Harry C. and Olga K. Wiess 自然科学以及化学和化学与生物分子工程教授Peter Rossky .
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