波茲坦大學團隊直接觀測金奈米桿光充電機制 揭示光催化新途徑

德國波茲坦大學（University of Potsdam）的物理學家團隊，由首席研究員Wouter Koopman博士領銜，首次成功直接觀察並建立模型，闡述了金奈米桿（Gold Nanorods）作為光催化劑時，其光充電（Photocharging）過程的精確物理機制。這項研究成果發表於《自然通訊》（Nature Communications），並獲選為「編輯亮點」，為理解奈米尺度下光驅動化學反應的基礎物理過程提供了具體框架。

金奈米桿因其具備將光能轉化為集體電子振盪的「微型天線」特性，在光催化領域展現出巨大潛力，可望應用於二氧化碳轉化為燃料或水分解產生氫氣等永續能源技術。該研究團隊的科學協調員兼第一作者Felix Stete博士指出，單一奈米粒子在光照下即可在自身與環境之間產生電位差，這證明光照本身足以驅動電化學反應。

過去，光充電現象一直是光催化研究中的核心難題，難以進行實驗追蹤與量化。本次研究的成功，正是利用了金奈米桿縱向局域表面電漿共振對電荷積累的極高敏感性。研究揭示了光充電的詳細路徑：在光照作用下，粒子內產生電子-電洞對，隨後電洞轉移至周圍分子（如乙醇），而電子則滯留在粒子表面，從而導致光充電的發生。

團隊將這些奈米粒子描述為「光化學電容器」，它們能夠在表面儲存電荷，並因極高的表面積與體積比，能在極小空間內積累可觀的電荷量，進而顯著改變其光學和化學性質。研究建立的量化模型，將粒子上的電荷數與光照強度聯繫起來，並進一步證實了粒子尺寸、溶劑類型和配體種類對此過程的影響。

此項研究是德國研究基金會（DFG）資助的合作研究中心SFB 1636「奈米金屬上光驅動反應的基本過程」的一部分，該中心自2024年啟動以來，致力於推動前瞻性的長期研究項目。參與機構除了波茲坦大學的物理與天文研究所，還包括柏林的亥姆霍茲中心（Helmholtz Zentrum Berlin）。

Koopman博士總結表示，這些粒子本質上展現出類似奈米級電解槽的功能，但無需外部電壓即可運作，這為開發自給自足的光驅動化學轉化系統奠定了基礎。從產業角度來看，理解並控制這種光充電機制，對於優化光驅動化學反應和催化系統至關重要，直接關係到太陽能化學反應器和新型能源儲存技術的未來發展。本次對金奈米桿的直接觀察，將光催化領域從依賴半導體能隙的傳統框架，拓展到對金屬等導體光物理特性的精確調控，預示著更高效、更具針對性的光化學工程時代的來臨。