植物在陽光下擁有壟斷地位。它們吸收陽光，轉換電子，將光轉化為生命。然而，儘管經歷了漫長的演化，植物在利用陽光方面卻相當浪費。大多數高能量的陽光照射到葉子上時，瞬間轉化為無用的熱量。人類的效率同樣有限；即使是我們最先進的矽板，也會在不足一兆分之一秒的時間內讓這些高能量的熱量逸散。然而，洛基山國家實驗室（NLR）的一組研究人員終於找到了捕捉這些閃電的方法。研究人員開發了一種混合半導體催化劑系統，能比太陽能板或植物更有效地捕捉高能量的陽光。
該系統可以輕鬆捕捉本來會作為熱量浪費的高能量陽光。有趣的是，這種混合材料能使高能量的「熱電子」存活的時間比標準矽長 25,000 倍。NLR 的研究科學家 Nathan Neale 表示：「我們的研究旨在推動從太陽中獲取能源的極限，而本研究中使用的半導體-分子催化劑混合系統揭示了一條可能的途徑。」首席作者補充道：「我們發現這種混合系統中的電子狀態能使光生電子保持足夠的能量，足以進行化學反應。」
混合半導體系統
這項研究的主要驅動力是目前光捕獲系統的固有低效率，太陽能板僅能捕獲約 20% 的入射能量，而植物則僅利用 1%。這種浪費發生的原因是，陽光產生的高能電子在能轉換為有用工作之前，迅速將多餘的能量以熱量的形式散失。尋找防止這種即時能量損失的方法將有助於開發目前被浪費的巨大太陽能儲備。Neale 説：「高能電子常常在材料中迅速損失能量，因為它們與分子振動耦合，並加熱其周圍環境。」他補充道：「通過將光捕獲的矽半導體和分子催化劑之間的電子狀態融合，我們的材料能使電子保持“熱”狀態至少 5 納秒，這潛在地可以用於更高效率的光催化。」為瞭解決這個問題，這種新方法將矽納米晶體與分子催化劑通過特定化學連接劑（乙烯吡啶單元）融合在一起。這幫助操控表面化學，將電子“熱”狀態的壽命延長至 5 納秒，約為典型矽冷卻週期的 25,000 倍。研究人員指出：「對連接劑化學的極端敏感性告訴我們，僅僅提供半導體和表面固定催化劑之間的空間近距離是不夠的，無法實現高效的光誘導過程。」
未來應用
這項研究使用了各種光譜方法和量子力學計算來確認分子連接劑創造了獨特的電子環境。研究結果顯示，這些混合狀態使熱電子能同時在矽和催化劑之間擴散。這種空間分佈穩定了電子，防止了通常限制太陽能轉換效率的快速能量損失。雖然直接從太陽到燃料的半導體尚未成為主流，但這項研究證明瞭利用「熱」電子驅動高能化學過程的可行性。利用這項技術，工程師可以高效地將水分解為氫，或將二氧化碳轉化為碳氫燃料和化學品。
此外，這項技術還可以被用來從大氣氮合成肥料，為工業生產和能源收集提供可持續的途徑。研究結果已發表在《美國化學學會期刊》上。