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【新奇】基于等离子体的太阳能利用方法

  • 来源:舒珍网
  • 2020-05-30 03:12:56

  化学家发现了一种新的更有效的方法来进行光致反应,提出了另一种可能利用太阳光产生能源的方法。《科学》杂志刊载了这种基于等离子体的新方法——等离子体是金属的光学性质中表现出来的一种特别的电子运动。

  连接有金针尖的硒化镉纳米棒的透射电子显微图。图中右下角的插图是两个纳米棒的高分辨透射电子显微图。

  化学家发现了一种新的更有效的方法来进行光致反应,提出了另一种可能利用太阳光产生能源的方法。《科学》杂志刊载了这种基于等离子体的新方法——等离子体是金属的光学性质中表现出来的一种特别的电子运动。

  “我们发现了一种新的未曾料想的方法来利用金属等离子体性质,这在能量转化中拥有潜在的应用价值,”TimLian说到,他是艾莫利大学物理化学教授,也是这项研究的主持者,“我们演示了,把光激发的等离子体中的高能量电子收集起来并用它们的能量来进行化学反应。”

  等离子体是金属中自由电子的集体运动,它们强烈的吸收和散射光。表面等离子体的最生动的例子之一便是一些中世纪教堂中的拥有繁多色彩的玻璃窗,那是因为金纳米颗粒吸收和散射可见光而显现出来的效应。等离子体具有丰富的可调性,改变玻璃中金纳米颗粒的大小和形状可以控制其发射光的色彩。

  现代科学正在探索和改善这种等离子体效应的一系列潜在可能的应用,从电子领域到医学和可再生能源领域。

  Lian的实验室专门研究可用于太阳能转化的光致电荷转移,他们从实验上发现利用等离子体来完成这个过程可以更有效和更具体可持续性。

  金常被用作催化剂,这是一种帮助驱动化学反应的物质,但金并不被用作为光催化剂,所谓光催化剂是指吸收光并用光所提供的能量来进行化学反应的材料。

  在光催化的过程中,金属强烈吸收光,迅速激发大量电子。“想象一下,电子在金属中上下振荡,”Lian说道,“一旦你将电子激发到这个状态,它们迅速向低能态跃迁,所有的能量在皮秒量级的极短时间内就以热的方式释放。”

  研究人员希望找到一种方法,在处于激发态的电子以热能方式释放能量之前,就将它们捕获下来,紧接着用这些热电子来驱动反应。

  通过实验,他们发现可以将半导体硒化镉纳米棒跟等离子体金颗粒针尖相结合,这种设计允许金颗粒针尖中的激发态电子逃逸到半导体材料中。

  “如果你有一种拥有合适能级的材料跟等离子体紧密结合,那么激发态电子可以逃逸到这种材料中并且保持在高能级状态,”Lian说道,“我们演示,你可以在这些电子向低能级跃迁弛豫之前将它们收集,这把等离子体的催化性质跟它的光吸收性质结合起来。”

  与利用热能来进行化学反应不同,这种新的方法用金属和光来做光化学反应,提出了一种新的可能更为有效的值得探索的方法。

  “我们正在研究,是否能找到其它的电子接受体来进行这个过程,比如说用分子或分子催化剂来代替硒化镉,”Lian说道,“那就可以将这个过程变得很普遍,将有许多不同的潜在应用。”

  研究人员同时希望探索是否可以用这个方法更有高效地进行光致水氧化。用太阳光分解水产生氢气是人们探索廉价可持续太阳能源的一个主要目标。

  “利用取之不尽的太阳能来移动电子和提供催化能量是一个艰难的挑战,但我们已经找到了方法,”Lian说道。“我们没有选择。太阳能是唯一一种能维持目前人口增长而不产生灾难性环境问题的能量来源。”

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