劳伦斯·伯克利国家实验室 20纳米金纳米粒子附着在二氧化钛上的PEC模型系统示意图
学分:伯克利实验室 在寻找化石燃料的清洁能源替代品的过程中，一个有希望的解决方案是依靠光电化学电池——一种分解水的人工光合作用设备，它可以将阳光和水转化为太阳能燃料，如氢气
在短短十年内，该领域的研究人员在开发由吸光金纳米粒子——直径仅为百万分之几米的微小球体——附着在二氧化钛纳米粒子(二氧化钛纳米粒子)半导体薄膜上制成的等离子体化学气相沉积系统方面取得了巨大进展
但是，尽管取得了这些进步，研究人员仍在努力制造一种能够在商业规模上生产太阳能燃料的设备
现在，由能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个科学家小组已经获得了关于电子在金/二氧化钛纳米粒子等离子体化学发光系统中获取光的作用的重要新见解
科学家们说，他们最近发表在《物理化学快报》杂志上的研究可以帮助研究人员开发更有效的材料组合，用于高性能太阳能燃料设备的设计
“通过量化电子是如何在纳米尺度上实时工作的，我们的研究可以帮助解释为什么一些分水式脉冲电流装置不如预期的那样工作，”资深作者奥利弗·格斯纳说，他是伯克利实验室化学科学部的资深科学家
通过以化学特异性和皮秒(万亿分之一秒)的时间分辨率跟踪这些复杂系统中电子的运动，研究小组成员相信他们已经开发了一种新的工具，可以更准确地计算未来设备的太阳能燃料转换效率
电子-空穴对:一个多产的配对出现了 研究水分裂等离子体化学发光系统的研究人员对金纳米粒子优越的光吸收感兴趣，这是由于它们的“等离子体共振”——金纳米粒子中的电子与阳光电场同步移动的能力
“诀窍是在两种不同类型的材料之间转移电子——从吸光的金纳米粒子到二氧化钛半导体，”格斯纳解释说
当电子从金纳米粒子转移到二氧化钛半导体中时，它们会留下“空穴”
“注入二氧化钛的电子和电子留下的空穴的组合称为电子-空穴对
“我们知道电子空穴对是产生太阳能燃料的化学反应的关键因素，”他补充道
但是如果你想知道等离子体增强化学气相沉积设备的工作情况，你需要了解有多少电子从金纳米粒子转移到半导体，形成了多少电子-空穴对，以及这些电子-空穴对在电子回到金纳米粒子的空穴之前持续了多长时间
“电子与金纳米粒子中的空穴分离的时间越长——也就是说，电子-空穴对的寿命越长——燃料生产的化学反应发生的时间就越长，”格斯纳解释说
为了回答这些问题，格斯纳和他的团队在伯克利实验室的高级光源(ALS)中使用了一种叫做“皮秒时间分辨X射线光电子能谱(TRXPS)”的技术来计算金纳米粒子和二氧化钛薄膜之间转移的电子数量，并测量电子在其他材料中停留的时间
格斯纳说，他的团队是第一个应用x光技术研究等离子体系统(如纳米粒子和薄膜)中电子转移的人
“这些信息对于开发更高效的材料组合至关重要
" TRXPS电子“倒计时” 在ALS上使用TRXPS，研究小组用激光脉冲激发附着在纳米多孔二氧化钛半导体薄膜上的20纳米(200亿分之一米)金纳米粒子中的电子。
该小组随后使用短x光脉冲来测量这些电子中有多少从纳米粒子“传播”到二氧化钛上形成电子-空穴对，然后“回到”纳米粒子的空穴中
“当你想拍一张某人快速移动的照片时，你可以用短暂的闪光——在我们的研究中，我们使用了短暂的x光闪光，”格斯纳说
“我们的相机是光电子光谱仪，它能以70皮秒的时间分辨率拍摄短的‘快照’
" TRXPS的测量揭示了一些令人惊讶的现象:他们观察到两个电子从金转移到二氧化钛上——这个数字远远小于他们基于先前研究的预期
他们还了解到，1000个光子(光的粒子)中只有一个产生电子-空穴对，电子与金纳米粒子中的空穴复合只需要十亿分之一秒
总之，目前研究中描述的这些发现和方法可以帮助研究人员更好地估计引发纳米级太阳能燃料生产所需的最佳时间
“虽然x光光电子能谱是世界各地大学和研究机构使用的一种常见技术，但我们将其扩展到时间分辨研究并在这里使用的方式非常独特，只能在伯克利实验室的高级光源中完成，”该研究的合著者、ALS的研究科学家莫尼卡·布卢姆说
合著者弗朗西丝卡·托马是伯克利实验室化学科学部人工光合作用联合中心(JCAP)的一名工作人员，她说:“莫妮卡和奥利弗对TRXPS的独特使用，使得识别金上有多少电子被激活成为电荷载体成为可能，并以前所未有的化学特异性和皮秒时间分辨率定位和跟踪它们在纳米材料表面区域的运动。”
“这些发现将是更好地理解等离子体物质如何推进太阳能燃料的关键
" 该团队下一步计划用自由电子激光将他们的测量推进到更快的时间尺度，并在向混合物中加水时，在等离子体化学发光器件中捕捉电子工作时更精细的纳米级快照
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