二维超晶体高效利用太阳能制氢

一个国际研究小组开发出一种二维超晶，可借助阳光从甲酸中产氢。在发表于Nature Catalysis杂志上的一篇论文中，科学家们解释说，太阳能在到达地球时大部分都被稀释了，他们的等离子体纳米结构的目标是集中太阳能。

首席研究员Emiliano Cortés在一份媒体声明中说："太阳光的高能粒子--光子--与原子结构相遇的地方，就是我们研究的起点。我们正在研究材料解决方案，以便更有效地捕获和利用太阳能。"

概念图

Cortés认为，这些发现具有巨大的潜力，可以用于新型太阳能电池和光催化剂的开发。Cortés和他的同事Matías Herran用等离子体金属--这里指的是金--制造出了10-200 纳米尺度围内的超晶体。Herran说："在这种尺度上，等离子金属（也包括银、铜、铝和镁）会出现一种特殊现象：可见光与金属的电子发生强烈的相互作用，导致它们发生共振。"

这意味着电子从纳米粒子的一侧集体快速移动到另一侧，形成一种微型磁体。专家将此称为偶极矩。这一过程使纳米粒子能够捕捉更多的阳光，并将其转化为高能电子。这些电子反过来又可以驱动化学反应。

为了利用这种能量，路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的研究人员与汉堡大学的同事合作。他们根据自组织原理，将金粒子有序地排列在表面上。这些颗粒必须非常靠近，但不能接触，这样才能最大限度地实现光-物质相互作用。柏林工业大学的研究人员与柏林自由大学的研究小组合作研究了这种材料的光学特性，他们发现光的吸收增加了许多倍。

AuPt 超晶体电镜表征

Herran说："金纳米粒子阵列能极其有效地聚焦入射光，产生高度局部化的强电场，即所谓的热点。这些热点形成于金粒子之间，这让 Cortés 和 Herrán 产生了在这些间隙中放置铂纳米粒子的想法。铂不是光催化的首选材料，因为它对阳光的吸收能力很差。不过，我们可以在热点区域强制使用铂，以增强铂的吸收能力，并利用光能促进化学反应。在我们的案例中，反应将甲酸转化为氢气。" 该研究每克催化剂每小时从甲酸中产生 139 毫摩尔的氢气。

产氢数据

研究人员指出，目前氢气主要由化石燃料（主要是天然气）生产。为了转向更可持续的生产方式，世界各地的研究团队正在研究使用替代原料（包括甲酸、氨和水）的技术。研究重点还包括开发适合大规模生产的光催化反应器。

"像我们这样的材料解决方案是该技术取得成功的重要基石，"两位研究人员提到，"通过将等离子体金属和催化金属相结合，我们正在推进工业应用的强效光催化剂的开发。这是一种利用阳光的新方法，也为应用于其他反应（如将二氧化碳转化为可用物质）提供了潜力"。