金纳米棒光充电机制获直接观测 奠定等离子体光化学基础

德国波茨坦大学的物理学家团队，在首席研究员Wouter Koopman博士的领导下，首次对金纳米棒作为光催化剂时所经历的光充电过程进行了直接的在位（in situ）观测与建模。这一研究成果为理解和优化光驱动化学反应提供了坚实的物理框架，相关研究发表于《自然-通讯》（Nature Communications），并被选为“编辑精选”（Editor's Highlight）。

金纳米棒因其能够捕获光能并将其转化为集体电子振荡的“微型天线”特性，被视为在二氧化碳转化为燃料或水分解制氢等可持续能源转化过程中极具潜力的光催化剂。该研究的核心在于追踪光照下金属纳米粒子光充电这一长期以来难以实验验证的关键过程。研究团队通过监测光诱导电荷转移过程中纵向等离子体共振的变化，成功量化了光照引起的电荷积累。具体机制是：光照产生电子-空穴对，空穴转移至周围分子（如乙醇），而电子则滞留在粒子表面，导致光充电现象，使纳米粒子表面积累净负电荷并产生电势，整个过程无需外部电压源。

波茨坦大学物理学与天文学研究所的Felix Stete博士作为第一作者兼科学协调员，阐述了光照足以在单个纳米粒子与其环境之间产生光电压。Koopman博士总结指出，这些粒子本质上展现出纳米级电解槽的功能，其驱动力源于粒子内部的光生电势。研究人员将这种光照下的纳米粒子描述为“光化学电容器”，它们能在表面储存电荷，并因其极高的表面积体积比，在极小空间内积聚大量电荷，从而显著改变其光学和化学特性。

这项基础研究隶属于德国研究基金会（DFG）资助的协作研究中心SFB 1636“纳米尺度金属上光驱动反应的基本过程”，该中心自2024年4月1日开始运作，整合了纳米光学、凝聚态物理和物理化学等跨学科专业知识。研究的最终目标是通过太阳光激活化学反应路径，推动二氧化碳还原和水分解等可持续技术的应用。

对光充电机制的精确观测和建模，为实现对光诱导化学反应和催化系统的靶向控制铺平了道路。Stete博士的同事们通过实验探究了溶剂、粒子尺寸和配体类型对充电过程的影响，进一步证实了所提出的电容器模型。从长远来看，这种在纳米尺度金属上实现的电容性光充电技术，有望催生出依赖于分散催化粒子储存电荷的新型能源储存概念，以及太阳能驱动的化学反应堆，为等离子体光化学中费米能级的理性工程设计奠定基础。