Piepkleine nano-antennes kunnen zonlicht opvangen en concentreren in minuscule chemische reactoren. Hierdoor kunnen chemische reacties in de chemische industrie mogelijk efficiënter en energiezuiniger verlopen dan nu het geval is. Onderzoekers van het Amsterdamse onderzoeksinstituut AMOLF hebben achterhaald hoe nano-antennes dit klaarspelen.
Ongeveer vijf jaar geleden werd een proces genaamd plasmonische fotokatalyse ontdekt. Hierbij concentreren metalen nano-antennes licht in een klein gebiedje om zo een reactiehotspot te creëren waar chemische reacties sneller verlopen.
‘Dat was een belangrijke ontdekking, omdat het betekent dat je zonlicht zou kunnen gebruiken om reacties aan te drijven’, vertelt Eitan Oksenberg, postdoc-onderzoeker bij AMOLF. ‘Dat is efficiënter en duurzamer dan de processen die de chemische industrie nu gebruikt om reactoren te verhitten en onder druk te brengen om zo reacties te versnellen. Die kosten grote hoeveelheden energie.’
Bovendien zijn de reacties in de minuscule reactoren preciezer te sturen, waardoor je beter kunt controleren wat je produceert en minder ongewenste bijproducten krijgt.
Nano-antenne-mechanismen
Voorlopig is dit allemaal nog theorie, want de nano-antenne-reactoren staan in de kinderschoenen. Er is nog veel onduidelijk. Zo is er discussie over hoe het licht dat de nano-antennes concentreren precies chemische reacties aandrijft: wordt de reactie direct aangedreven door het geconcentreerde licht, door de energierijke elektronen die ontstaan in de metalen nano-antennes of door de warmte die ontstaat als die energierijke elektronen hun energie kwijtraken?
Om het aandrijfmechanisme beter te begrijpen hebben de AMOLF-onderzoekers een experiment ontwikkeld. ‘Daarbij combineerden we relatief eenvoudige moleculen met verschillende nano-antennes die elk een andere kleur licht (en dus een andere hoeveelheid energie) opvingen en concentreerden’, vertelt Oksenberg. ‘Elk van de drie mechanismen zou anders reageren op de verschillende kleuren licht. Zo wilden we achterhalen welk van de drie de drijfveer is.’
Maar de onderzoekers vonden hét mechanisme niet. Oksenberg: ‘We ontdekten dat er zelfs met dit eenvoudige molecuul twee verschillende soorten reacties plaatsvinden als de nano-antennes licht opvangen en concentreren. Elke reactie werd door een ander mechanisme aangedreven.’ Ze zagen een reactie die direct door het geconcentreerde licht aangedreven werd. En een andere reactie die versnelde door de energierijke elektronen die ontstaan in de nano-antennes. Er is dus niet één mechanisme waarmee het geconcentreerde licht de reactie versnelt, maar minstens twee.
Duurzame chemische reacties
Deze ontdekking betekent dat je de chemische reacties in de minuscule reactoren kunt optimaliseren en sturen door de nano-antennes zo te kiezen dat de ene reactie wel plaatsvindt en een andere juist niet. Dat is veelbelovend voor een efficiëntere een duurzamere chemische industrie.
Qua toepassingen kijken onderzoekers nu vooral naar chemische reacties die belangrijk zijn voor de transitie naar een duurzamere wereld. Zo hebben onderzoekers van de Amerikaanse Rice University aangetoond dat je met de nano-antennes de broeikasgassen methaan en CO2 om kunt zetten in de energiedrager waterstofgas en koolstofmonoxide – waarmee je nuttige koolwaterstoffen kunt maken.
Het zal nog wel even duren voordat de industrie de nano-antennes op grote schaal gebruikt. Het complete reactorontwerp zoals de chemische industrie die gebruikt zal namelijk omgebouwd moeten worden: van een grote tank die verhit en onder druk gezet kan worden naar, bijvoorbeeld, buizen waar genoeg licht bij kan komen.