近年来，太阳能已成为美国增长最快的可再生能源，部分原因是技术的重大进步有助于更有效地将太阳光转化为电能。

但也有人们热衷于利用光来进行化学反应。

与电力一样，化学品对日常生活至关重要，将化学品转化为我们所需的消费品和工业产品(如气体、塑料、油漆、药品等)需要大量的能源(通常来自不可再生能源)。

根据美国能源部2022年工业脱碳路线图，化工和石化行业约占美国所有工业能源使用和排放量的40%。

“我们日常生活中需要用到的物质，需要大量的能量来进行高温高压化学反​​应。因此，目前所有化学研究的一大重点就是尝试找到一种利用光进行化学反应的方法，尤其是利用阳光，因为光是免费的。”伊利诺伊大学香槟分校化学教授克里斯蒂·兰德斯说道。

Landes是伊利诺伊州研究团队的一员，该团队一直与其他机构的研究人员合作进行这项“宏观探索”。他们的努力现在揭示了一种不同的电荷转移机制，这种机制不仅比传统机制快得多，而且总电荷转移效率也提高了一倍。

伊利诺伊州的研究人员及其合作者在他们最近发表在《科学进展》杂志上的论文中详细介绍了这种机制的研究，该机制利用等离子体金粒子的特殊性质(仅为人类头发宽度的千分之一)将电荷转移到连接的二氧化钛壳半导体上。

研究人员确定了金纳米粒子如何将电荷转移到连接的半导体，并量化了使用不同颜色的光转移了多少电荷。

这项工作很重要，因为与半导体集成的等离子体纳米粒子可以提高光收集技术产生电流或驱动化学反应的效率。

“我们的研究结果揭示了如何设计更好的设备，可以利用金属粒子的这些特殊性质将光能转化为电能或化学能，”化学博士后研究员兼共同第一作者StephenA.Lee说。

与同等大小的其他粒子相比，金纳米粒子吸收了大量的光，而金是一种当光与其表面等离子体耦合时会产生集体电子振荡的材料。因此，研究人员推测，通过用光激发等离子体，它们将促进电荷向半导体材料的转移。他们的研究证实了他们的理论。

研究人员报告称，“在共振激发下，从金纳米棒到氧化钛壳的总电子转移效率为44±3%”，其中一半“源自通过激发等离子体介导的直接界面电荷转移”。

伊利诺伊州化学教授、该论文的共同主要作者斯蒂芬·林克(StephanLink)表示，这项工作的真正意义在于试图了解等离子体在电荷转移中的作用。

“它只是一种很好的吸收剂，还是也有助于形成电荷分离状态?我们发现它确实有额外的影响或促进作用。这确实是我们工作中的重要内容，”Link说。“这证实了我们的假设，即当我们激发等离子体时，我们将获得这种促进作用。”

纳米粒子大小的金还具有多种其他特性，如可调颜色和驱动反应的能力。研究人员发现，当金粒子吸收与粒子颜色相匹配的光时，电荷转移率会高得多。

“等离子体对光的吸收更强，我们发现，当我们将其作为颜色函数时，等离子体会给我们带来额外的增强，”Link说道。“等离子体正在启动这个额外的通道。”

李将通道比作通向电荷分离状态的捷径。但黄金与任何金属一样，在吸收光时会开始发热，而热量可以战胜捷径。

“因此，我们试图切断我们不想要的加热通道。热量对其他事情有好处，但对于我们想要做的事情，我们不想要热量，而等离子体可以帮助我们避开加热，”Link说。

“问题是，我们能否在加热之前进行拦截，我们在本文中描述的途径提供了一种在加热之前进行拦截并进入电荷分离状态的途径。”

研究人员在研究中解释说，这种直接由等离子体诱导的电荷转移就像一个长期被忽视的过程，即等离子体的化学界面衰减，这是20世纪90年代提出的理论。

Landes表示，这项研究的一部分非常令人兴奋，这个旧理论实际上非常好。Link表示，越来越多的科学家意识到，这种90年代描述的化学界面阻尼“作为一种效应，在等离子体和等离子体光催化领域非常重要。”

林克说：“这项工作首次将互补的技术结合在一起，以真正理解化学界面阻尼是什么。”他强调，他们研究的一个新颖的方面是他们使用各种不同的技术——特别是三种不同的成像和光谱策略——来确认他们的研究结果。

林克说：“这之所以成为可能，是因为我们作为一个团队，在克里斯蒂的带领下，从多个不同角度采用了多种不同的技术。”