Quan sát Trực tiếp Cơ chế Sạc Quang điện trong Thanh Nano Vàng Mở ra Ứng dụng Năng lượng Mặt trời

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Potsdam đã đạt được bước tiến quan trọng trong lĩnh vực quang xúc tác thông qua việc quan sát và mô hình hóa trực tiếp quá trình sạc quang điện diễn ra bên trong các thanh nano vàng hoạt động như chất xúc tác quang học. Thanh nano vàng được công nhận là chất xúc tác quang học đầy hứa hẹn, có khả năng khai thác năng lượng ánh sáng để thúc đẩy các phản ứng hóa học phức tạp, bao gồm chuyển đổi carbon dioxide (CO2) thành nhiên liệu hoặc tạo ra hydro từ nước.

Nhóm nghiên cứu, do nhà vật lý Tiến sĩ Wouter Koopman thuộc Viện Vật lý và Thiên văn học dẫn dắt, lần đầu tiên ghi lại diễn biến chính xác của quá trình tích lũy điện tích dưới tác động của ánh sáng. Công trình này giải quyết câu hỏi cơ bản về cơ chế tích điện trong các hạt nano kim loại khi được chiếu sáng. Phân tích tiết lộ rằng khi có ánh sáng, các cặp electron-lỗ trống được hình thành trong kim loại. Các lỗ trống được chuyển giao cho các phân tử xung quanh, chẳng hạn như ethanol, trong khi các electron bị giữ lại trên bề mặt hạt, dẫn đến hiện tượng tích điện âm ròng trên thanh nano, một quá trình được mô tả là sạc điện dung quang học.

Các thanh nano này hoạt động như những ăng-ten vi mô, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành dao động điện tử tập thể, và được mô tả là những “tụ điện hóa học” có khả năng lưu trữ điện tích trên bề mặt. Việc quan sát thực tế này được thực hiện thông qua việc theo dõi sự dịch chuyển của cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ dọc của các thanh nano. Tiến sĩ Felix Stete là tác giả chính và điều phối viên khoa học của nghiên cứu, với sự hỗ trợ từ Đại học Potsdam và Trung tâm Nghiên cứu Hợp tác SFB 1636, được Quỹ Nghiên cứu Đức (DFG) tài trợ từ năm 2024.

Kết luận của Tiến sĩ Koopman chỉ ra rằng các hạt này về cơ bản hoạt động tương tự như các thiết bị điện phân quy mô nano, nhưng không cần nguồn điện áp bên ngoài để phân tách nước thành hydro và oxy. Tiến sĩ Stete bổ sung rằng ánh sáng đơn lẻ là đủ để tạo ra các thế điện giữa một hạt nano riêng lẻ và môi trường xung quanh nó, một phát hiện quan trọng cho việc tự cung cấp năng lượng cho các hệ thống chuyển đổi hóa học. Khả năng tích lũy điện tích đáng kể do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn của các thanh nano dẫn đến những thay đổi rõ rệt về đặc tính quang học và hóa học, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác.

Phát hiện này mang ý nghĩa thời sự sâu sắc trong bối cảnh nhu cầu toàn cầu về các giải pháp năng lượng bền vững và công nghệ chuyển đổi hóa học hiệu quả. Việc có được một mô hình vật lý định lượng cho quá trình tích điện này cung cấp khuôn khổ cụ thể để tối ưu hóa các phản ứng hóa học được điều khiển bằng ánh sáng. Về lâu dài, cơ chế sạc điện dung quang học ở quy mô nano kim loại có thể hỗ trợ các lò phản ứng hóa học chạy bằng năng lượng mặt trời và các khái niệm lưu trữ năng lượng mới. Mô hình tụ điện nano mới này, được công bố trên tạp chí Nature Communications và được vinh danh là “Editor's Highlight”, cung cấp cơ sở để kỹ thuật hóa hợp lý sự tích tụ điện tích động trong các phản ứng quang xúc tác dựa trên plasmon.