液体中で化学反応を引き起こすための方法はさまざまに存在するが、グリーンケミストリー（環境に優しい化学）にとって特に魅力的なのは、水やアンモニアなどの溶液に自由電子を直接注入する方法だ。なぜなら、溶媒和電子（solvated electrons）は本質的にクリーンで、反応後に副生成物を何も残さないからだ。

理論上、溶媒和電子を用いれば、汚染水に含まれる化学汚染物質や二酸化炭素を、安全かつ持続的に分解することが可能と考えられる。しかし、溶媒和電子を純粋な形で生成するのは困難で高コストなため、こうした技術は実現していなかった。

この状況を一変させるかもしれない最新の研究が、米国のライス大学、スタンフォード大学、テキサス大学オースティン校の化学者チームから発表された。米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された研究論文で、ライス大の研究所CAFF（Center for Adapting Flaws into Features）に属する研究者らは、光と金属の相互作用による溶媒和電子生成過程のメカニズムを明らかにした。この生成過程は良く知られているが不明な点が多く、仕組みの解明が長く待ち望まれてきた。

金属ナノ粒子、もしくは、より広い金属表面にあるナノスケールレベルの欠陥に光を照射すると、プラズモンと呼ばれる電子の波（振動）を発生させることができる。そして、隣接しあうプラズモンの振動数が一致すると、プラズモンが共鳴して互いに強め合うことができる。過去の研究では、こうしたプラズモン共鳴によって溶媒和電子が生成される可能性があることが示唆されていたが、CAFFの研究チームは、このプロセスを初めて明確に定量的に実証した。CAFFは化学的な技術革新に関する研究拠点であり、米国立科学財団（NSF）が資金を提供している。

金属ナノ粒子に低強度の近紫外線を照射すると、ナノ粒子内の電子が振動する。この振動はプラズモンと呼ばれ、電子が周囲の溶液に放出するのに十分なエネルギーを与えることが可能だ

論文の共同責任著者であるライス大のステファン・リンク（Stephan Link）は、「この分野には長い歴史がありますが、溶媒和電子の存在を証明することと、溶媒和電子の生成をプラズモン共鳴に関連付けることの両方が課題となっていました」と話す。「さまざまな研究グループの協力と専門知識が真に必要とされていました」

論文の筆頭著者で、ライス大の大学院生アレクサンダー・アル＝ズベイディ（Alexander Al-Zubeidi）と共同研究者らは、水中につり下げた銀電極への光照射によって溶媒和電子を生成できることを明らかにした。研究チームは次に、電極を最初に銀ナノ粒子でコーティングすれば、溶媒和電子の生成量を10倍に増やせることを明らかにした。

論文の共同責任著者で、テキサス大オースティン校のショーン・ロバーツ（Sean Roberts）は、「溶媒和電子を多量に生成するのは、大きな困難を伴います」と話す。「今回の研究結果は、電極表面のナノ構造化によって、溶媒和電子の生成率を実際にどのくらい向上させられるかを定量的に示しています。これにより、化学反応を促進させる新たな方法を開発できる可能性があります」

溶媒和電子は、基本的には水などの溶液中を自由に浮遊している電子だが、例えば二酸化炭素と反応して燃料などの有用な別の分子に変えることを可能にするかもしれない。これは、まさにカーボンニュートラルな方法と言える。また、アンモニア性肥料の生産において、現在は化石燃料を多用する産業プロセスを、より環境に優しい代替手段に切り替えることで、温室効果ガス排出量の削減に役立つ可能性もある。汚染水処理では、硝酸塩、有機塩素化合物、染料、芳香族分子といった化学汚染物質を分解するのに利用できるかもしれない。

論文の共著者で、CAFFの責任者を務めるクリスティー・ランデス（Christy Landes）は、「重大な課題がまだ一つ残っています」と指摘する。「今回の実験では、銀ナノ粒子を不規則に配置することで、欠陥を含む材料の表面で見られるような微小な欠陥を再現しました。次のステップは、最適化です。固有の共鳴エネルギーを持つ結合プラズモン（coupled plasmons）が規則的に配列された材料に、私たちの研究成果を応用することで、溶媒和電子の生成量を数桁増やしたいと考えています」

研究論文：“Mechanism for plasmon-generated solvated electrons”

この記事は、SpaceDaily.comが執筆し、Industry Dive Content Marketplaceを通じてライセンスされたものです。ライセンスに関するお問い合わせはlegal@industrydive.comまでお願いいたします。