Kemikere finder en ny måde at udføre lysdrevne reaktioner på i solenergi-søgning

Kemikere har fundet en ny, mere effektiv metode til at udføre lysdrevne reaktioner, åbne op for en anden mulig vej til at udnytte sollys til energi. Journalen Videnskab udgiver den nye metode, som er baseret på plasmon - en særlig bevægelse af elektroner involveret i metals optiske egenskaber.

"Vi har opdaget en ny og uventet måde at bruge plasmonisk metal, der rummer potentiale til brug i solenergikonvertering, " siger Tim Lian, professor i fysisk kemi ved Emory University og hovedforfatter af forskningen. "Vi har vist, at vi kan høste de højenergielektroner, der exciteres af lys i plasmon og derefter bruge denne energi til at lave kemi."

Plasmon er en kollektiv bevægelse af frie elektroner i et metal, der kraftigt absorberer og spreder lys. Et af de mest levende eksempler på overfladeplasmon kan ses i de indviklede farvede glasvinduer i nogle middelalderlige katedraler, en effekt opnået gennem guld nanopartikler, der absorberer og spreder synligt lys. Plasmon er meget tunerbar:Variering af størrelsen og formen af ​​guldnano-partiklerne i glasset styrer farven på det udsendte lys.

Moderne videnskab udforsker og forfiner brugen af ​​disse plasmoniske effekter til en række potentielle anvendelser, fra elektronik til medicin og vedvarende energi.

Lians laboratorium, som har specialiseret sig i at udforske lysdrevet ladningsoverførsel til solenergikonvertering, eksperimenteret med måder at bruge plasmon til at gøre processen mere effektiv og bæredygtig.

Guld bruges ofte som katalysator, et stof til at drive kemiske reaktioner, men ikke som fotokatalysator:et materiale til at absorbere lys og derefter lave kemi med energien fra lyset.

Under fotokatalyse, et metal absorberer lys kraftigt, hurtigt spændende en masse elektroner. "Forestil dig elektroner, der skvulper op og ned i metallet, "Siger Lian." Når du har begejstret dem på dette niveau, de styrter lige ned. Al energien frigives som varme virkelig hurtigt - på picosekunder."

Forskerne ønskede at finde en måde at fange energien i de exciterede elektroner, før den blev frigivet som varme og derefter bruge varme elektroner til at brænde reaktioner.

Gennem eksperimenter, de fandt ud af, at kobling af nano-stænger af cadmiumselenid, en halvleder, til en plasmonisk guld nanopartikelspids tillod de ophidsede elektroner i guldet at slippe ind i halvledermaterialet.

"Hvis du bruger et materiale med et bestemt energiniveau, der kan binde sig stærkt til plasmon, så kan de exciterede elektroner flygte ind i materialet og forblive på det høje energiniveau, " siger Lian. "Vi viste, at man kan høste elektroner, før de styrter ned og slapper af, og kombinere den katalytiske egenskab af plasmon med dens lysabsorberende evne."

I stedet for at bruge varme til at lave kemi, denne nye proces bruger metaller og lys til at lave fotokemi, åbner en ny, potentielt mere effektiv, metode til udforskning.

"Vi ser nu på, om vi kan finde andre elektronacceptorer, der ville fungere i den samme proces, såsom et molekyle eller en molekylær katalysator i stedet for cadmiumselenid, " siger Lian. "Det ville gøre denne proces til en generel ordning med mange forskellige potentielle anvendelser."

Forskerne vil også undersøge, om metoden kan drive lysdrevet vandoxidation mere effektivt. At bruge sollys til at spalte vand til at generere brint er et vigtigt mål i jagten på økonomisk overkommelig og bæredygtig solenergi.

"At bruge ubegrænset sollys til at flytte elektroner rundt og tappe katalytisk kraft er en vanskelig udfordring, men vi er nødt til at finde måder at gøre dette på, " siger Lian. "Vi har ikke noget valg. Solenergi er den eneste energikilde, der kan opretholde den voksende menneskelige befolkning uden katastrofal miljøpåvirkning."