Прямое наблюдение фотозарядки в золотых наностержнях открывает новые пути для солнечной энергетики

Значительный прорыв в области фотокатализа достигнут благодаря прямому наблюдению в реальном времени и последующему моделированию механизма фотозарядки, происходящего внутри золотых наностержней, функционирующих как светособирающие катализаторы. Это исследование разрешило давнюю загадку о том, каким образом в металлических наночастицах происходит накопление заряда при освещении, предоставив конкретную физическую основу для усовершенствования светоуправляемых химических превращений. Результаты, представляющие освещенные наностержни в качестве «фотохимических конденсаторов», способны оказать влияние на развитие устойчивых энергетических технологий, включая химические реакторы на солнечной энергии и новые решения для накопления энергии.

Инициатива исследования принадлежала физику доктору Ваутеру Купману из Потсдамского университета, а доктор Феликс Штете выступил первым автором и научным координатором работы. Данная научная деятельность формально вписана в рамки Совместного исследовательского центра SFB 1636, проекта, финансируемого Немецким научно-исследовательским фондом (DFG), который начал свою деятельность в 2024 году и сфокусирован на изучении элементарных процессов в светоуправляемых реакциях на наноразмерных металлах.

Доктор Штете подчеркнул, что ключевое наблюдение заключается в том, что при воздействии света наностержни, работающие как микроскопические антенны, преобразующие свет в коллективные колебания электронов, генерируют электронно-дырочные пары. При этом дырки передаются окружающим молекулам, таким как этанол, тогда как электроны остаются на поверхности частицы, что и вызывает наблюдаемый эффект фотозарядки. Исследовательская группа убедительно продемонстрировала, что одного лишь света достаточно для установления электрических потенциалов между частицей и ее окружением, что инициирует химические реакции, например, окисление этанола.

Доктор Купман пояснил, что эти наночастицы функционируют аналогично наноразмерным электролизерам, способным инициировать химическое расщепление, например, воды на водород, но без необходимости приложения внешнего напряжения. Команда использовала чувствительность продольного плазмонного резонанса наностержней к плотности заряда для отслеживания этого накопления in situ, предоставив спектроскопические доказательства, подтверждающие модель наноконденсатора для данного процесса. Установленная физическая модель, описывающая процесс зарядки через конденсаторную модель, где напряжение определяется химическим потенциалом дырок из 5d-оболочек золота, открывает путь для целенаправленного контроля над светоиндуцированной химией.

Исследование зависимости от интенсивности показало, что увеличение мощности падающего света не только ускоряет скорость зарядки, но и повышает максимально достижимую плотность заряда, что полностью согласуется с конденсаторной моделью. Это фундаментальное понимание выводит плазмонный фотокатализ за рамки простого наблюдения кинетического ускорения на этап рациональной оптимизации динамических состояний заряда для таких областей применения, как восстановление CO₂ и расщепление воды. Актуальность данного исследования возрастает на фоне глобального стремления к разработке эффективных и устойчивых технологий химического преобразования, в контексте солнечной энергетики, где хранение энергии остается сложным процессом.