«Мы открыли новый и неожиданный способ использования плазмонного металла, который потенциально может использоваться для преобразования солнечной энергии», — говорит Тим Лиан, профессор физической химии в Университете Эмори и ведущий автор исследования. «Мы показали, что можем собирать высокоэнергетические электроны, возбужденные светом в плазмоне, а затем использовать эту энергию для химии».Плазмон — это коллективное движение свободных электронов в металле, которое сильно поглощает и рассеивает свет.
Один из самых ярких примеров поверхностного плазмона можно увидеть в замысловатых витражах некоторых средневековых соборов, эффект достигается за счет наночастиц золота, которые поглощают и рассеивают видимый свет. Плазмон легко настраивается: изменение размера и формы золотых наночастиц в стекле регулирует цвет излучаемого света.Современная наука изучает и уточняет использование этих плазмонных эффектов для целого ряда потенциальных приложений, от электроники до медицины и возобновляемых источников энергии.
Лаборатория Лиана, которая специализируется на изучении передачи заряда с помощью света для преобразования солнечной энергии, экспериментировала с способами использования плазмона, чтобы сделать этот процесс более эффективным и устойчивым.Золото часто используется в качестве катализатора, вещества, запускающего химические реакции, но не в качестве фотокатализатора: материала для поглощения света и последующего химического взаимодействия с энергией, обеспечиваемой светом.
Во время фотокатализа металл сильно поглощает свет, быстро возбуждая множество электронов. «Представьте себе, что электроны поднимаются и опускаются в металле», — говорит Лиан. «Как только вы возбуждаете их на этом уровне, они рушатся. Вся энергия выделяется в виде тепла очень быстро — за пикосекунды».
Исследователи хотели найти способ улавливать энергию возбужденных электронов до того, как она выделяется в виде тепла, а затем использовать горячие электроны для подпитки реакций.Путем экспериментов они обнаружили, что соединение наностержней из селенида кадмия, полупроводника, с кончиком плазмонной наночастицы золота позволяет возбужденным электронам в золоте уходить в полупроводниковый материал.«Если вы используете материал с определенным уровнем энергии, который может прочно связываться с плазмоном, тогда возбужденные электроны могут уйти в материал и остаться на высоком уровне энергии», — говорит Лиан. «Мы показали, что вы можете собирать электроны до того, как они упадут и расслабятся, и объединить каталитические свойства плазмона с его светопоглощающей способностью».
Вместо использования тепла для химии, этот новый процесс использует металлы и свет для фотохимии, открывая новый, потенциально более эффективный метод исследования.«Сейчас мы изучаем, сможем ли мы найти другие акцепторы электронов, которые будут работать в том же процессе, например, молекулы или молекулярные катализаторы вместо селенида кадмия», — говорит Лиан. «Это сделало бы этот процесс общей схемой с множеством различных потенциальных приложений».Исследователи также хотят изучить, может ли этот метод более эффективно управлять окислением воды под действием света.
Использование солнечного света для расщепления воды для производства водорода — главная цель в поисках доступной и устойчивой солнечной энергии.«Использование неограниченного количества солнечного света для перемещения электронов и использования каталитической энергии — сложная задача, но мы должны найти способы сделать это», — говорит Лиан. «У нас нет выбора.
Солнечная энергия — единственный источник энергии, который может поддерживать растущее население без катастрофического воздействия на окружающую среду».