Kemister har hittat en ny, mer effektiv metod för att utföra ljusdrivna reaktioner, öppnar upp en annan möjlig väg för att utnyttja solljus för energi. Journalen Vetenskap publicerar den nya metoden, som är baserad på plasmon - en speciell rörelse av elektroner involverade i metallernas optiska egenskaper.

"Vi har upptäckt ett nytt och oväntat sätt att använda plasmonisk metall som har potential för användning i solenergiomvandling, säger Tim Lian, professor i fysikalisk kemi vid Emory University och huvudförfattaren till forskningen. "Vi har visat att vi kan skörda de högenergielektroner som exciteras av ljus i plasmon och sedan använda denna energi för att göra kemi."

Plasmon är en kollektiv rörelse av fria elektroner i en metall som starkt absorberar och sprider ljus. Ett av de mest levande exemplen på ytplasmon kan ses i de invecklade målade glasfönstren i vissa medeltida katedraler, en effekt som uppnås genom guldnano-partiklar som absorberar och sprider synligt ljus. Plasmon är mycket avstämbar:Att variera storleken och formen på guldnano-partiklarna i glaset styr färgen på det ljus som sänds ut.

Modern vetenskap undersöker och förfinar användningen av dessa plasmoniska effekter för en rad potentiella tillämpningar, från elektronik till medicin och förnybar energi.

Lians labb, som specialiserat sig på att utforska ljusdriven laddningsöverföring för solenergiomvandling, experimenterade med sätt att använda plasmon för att göra den processen mer effektiv och hållbar.

Guld används ofta som katalysator, ett ämne som driver kemiska reaktioner, men inte som fotokatalysator:ett material för att absorbera ljus och sedan göra kemi med den energi som ljuset ger.

Under fotokatalys, en metall absorberar ljus starkt, spännande snabbt många elektroner. "Föreställ dig elektroner som skvalpar upp och ner i metallen, " säger Lian. "När du hetsar upp dem på den här nivån, de kraschar direkt. All energi frigörs som värme riktigt snabbt - på pikosekunder."

Forskarna ville hitta ett sätt att fånga energin i de exciterade elektronerna innan den släpptes ut som värme och sedan använda heta elektroner för att underblåsa reaktioner.

Genom experiment, de fann att koppling av nanostavar av kadmiumselenid, en halvledare, till en plasmonisk guld nanopartikelspets tillät de exciterade elektronerna i guldet att fly in i halvledarmaterialet.

"Om du använder ett material med en viss energinivå som starkt kan binda till plasmon, då kan de exciterade elektronerna fly in i materialet och stanna på den höga energinivån, " säger Lian. "Vi visade att du kan skörda elektroner innan de kraschar ner och slappnar av, och kombinera den katalytiska egenskapen hos plasmon med dess ljusabsorberande förmåga."

Istället för att använda värme för att göra kemi, denna nya process använder metaller och ljus för att göra fotokemi, öppnar en ny, potentiellt effektivare, metod för utforskning.

"Vi tittar nu på om vi kan hitta andra elektronacceptorer som skulle fungera i samma process, såsom en molekyl eller molekylär katalysator istället för kadmiumselenid, " säger Lian. "Det skulle göra den här processen till ett allmänt schema med många olika potentiella tillämpningar."

Forskarna vill också undersöka om metoden kan driva ljusdriven vattenoxidation mer effektivt. Att använda solljus för att dela vatten för att generera väte är ett viktigt mål i jakten på prisvärd och hållbar solenergi.

"Att använda obegränsat solljus för att flytta runt elektroner och utnyttja katalytisk kraft är en svår utmaning, men vi måste hitta sätt att göra detta, " säger Lian. "Vi har inget val. Solenergi är den enda energikällan som kan upprätthålla den växande mänskliga befolkningen utan katastrofala miljöpåverkan."