Золотые наностержни заряжаются светом для катализа химических реакций

Золотые наностержни — перспективные фотокатализаторы, способные использовать энергию света для запуска химических реакций, например, превращения CO₂ в пригодное топливо или производства водорода из воды. В этом процессе наностержни действуют как крошечные антенны, улавливающие свет и преобразующие его в коллективные колебания электронов. Во время реакции частицы могут электрически заряжаться.

Золотые наностержни, окруженные молекулами воды и этанола. Облучение наностержней генерирует фотонапряжение, позволяя им извлекать электроны из окружающего этанола и воды, что приводит к накоплению электронов на стержнях (синие сферы). Автор: Доктор Феликс Штете

Исследовательская группа Потсдамского университета под руководством физика доктора Ваутера Купмана впервые непосредственно наблюдала, как происходит этот процесс зарядки, и разработала модель, описывающую лежащие в его основе механизмы. Результаты прокладывают путь к целенаправленному управлению светоуправляемыми химическими реакциями и каталитическими системами. В долгосрочной перспективе эти системы имеют широкий спектр потенциальных применений — от химических реакторов на солнечной энергии до новых технологий хранения энергии.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Фото-зарядка является центральным, но ранее ускользающим от наблюдения процессом в фотокатализе с наноразмерными металлическими частицами: под воздействием света может накапливаться избыточный заряд, значительно влияя на каталитические свойства. В ходе in-situ исследования команде удалось непосредственно наблюдать этот эффект и продемонстрировать, что золотые наностержни под воздействием света ведут себя как «фотохимические конденсаторы»: они накапливают электроны на своей поверхности. Благодаря большому отношению поверхности к объёму, значительное количество заряда может накопиться в чрезвычайно малом пространстве, что приводит к выраженным изменениям их оптических и химических свойств.

«Мы смогли напрямую продемонстрировать, что одного лишь света достаточно для генерации электрических потенциалов между отдельной наночастицей и её окружением», — объясняет ведущий автор исследования доктор Феликс Штете.

При поглощении света создаются пары электрон-дырка. Дырки переносятся на окружающие молекулы — например, этанол, — в то время как электроны остаются на частице.

«Наши частицы по сути ведут себя как электролизёры нанометрового размера — устройства, которые с помощью электричества расщепляют воду на H₂ и O₂, — говорит Купман, — за исключением того, что им не требуется внешний источник электрического напряжения».

Таким образом, исследователи предоставляют новую физическую основу для лучшего понимания и оптимизации светоуправляемых химических реакций.

ИИ: Это фундаментальное исследование открывает новые горизонты в «зелёной» химии. Возможность использовать наночастицы золота как автономные мини-реакторы, заряжаемые простым светом, выглядит крайне перспективной для создания компактных и эффективных систем производства водорода или утилизации углекислого газа. В будущем это может привести к появлению солнечных панелей, которые не только генерируют электричество, но и напрямую синтезируют химическое топливо.