Пряме спостереження фотозарядження в золотих нанородах відкриває перспективи для сонячної енергетики

Науковці здійснили пряме візуальне спостереження та моделювання механізму фотозарядження, що відбувається у золотих нанородах, які функціонують як високоефективні фотокаталізатори. Золоті нанороды демонструють значний потенціал у використанні світлової енергії для ініціювання складних хімічних перетворень, зокрема, для синтезу палива з вуглекислого газу або генерації водню шляхом розщеплення води. Це дослідження є критично важливим у контексті глобального пошуку стійких енергетичних рішень та підвищення ефективності хімічних конверсійних технологій.

Попередні знання про фотозарядження, ключовий, але досі не до кінця зрозумілий процес у металевих наночастинках, отримали нове, чітке фізичне підґрунтя. Дослідницьку групу очолював фізик доктор Вутер Купман з Університету Потсдама, який безпосередньо зафіксував динаміку цього заряджання під час освітлення. Детальний опис процесу вказує на те, що під дією світла генеруються електронно-діркові пари; дірки мігрують до оточуючих молекул, наприклад, етанолу, тоді як електрони залишаються локалізованими на поверхні частинки, що і спричиняє накопичення заряду.

Доктор Купман, який також розробив концепцію та дизайн мікроспектрометра з роздільною здатністю 500 нанометрів для вимірювання енергії електронів, підкреслив, що ці частинки функціонують як мікроскопічні антени, що перетворюють світло на колективні електронні коливання. Ключові учасники проєкту включають першого автора та наукового координатора доктора Фелікса Штете, а також Інститут фізики та астрономії Університету Потсдама. Робота виконується в рамках Колаборативного дослідницького центру SFB 1636, який фінансується Німецьким дослідницьким фондом (DFG) і розпочав свою діяльність у 2024 році.

Доктор Штете зазначив, що світла енергії достатньо для створення електричних потенціалів між окремою наночастинкою та її середовищем, що підтверджує здатність системи до самостійної роботи. Фундаментальне розуміння цього явища дозволяє перейти до цілеспрямованого керування світлоіндукованими хімічними реакціями та каталітичними системами. Доктор Купман порівняв поведінку цих частинок із наноскопічними електролізерами, які здатні працювати без потреби у зовнішньому прикладеному напруженні, що є кроком до створення самодостатніх, світлокерованих систем хімічної конверсії.

Дослідження в рамках SFB 1636, спільної ініціативи Університету Потсдама та Helmholtz-Zentrum Berlin, спрямовані на розробку всеосяжного мікроскопічного розуміння первинних процесів, що лежать в основі світлокерованих реакцій на нанометалах. Нанороды функціонують як «фотохімічні конденсатори», накопичуючи заряд на своїй поверхні, що є центральним елементом для оптимізації світлокерованої хімії. Це відкриває шлях до розробки нових технологій зберігання енергії та сонячних хімічних реакторів. Пряме спостереження та моделювання механізму заряджання надає конкретну фізичну основу для подальшої оптимізації, вирішуючи низку раніше дискусійних механістичних питань у плазмонній хімії.