הגברה פלסמונית של פוטוקטליזה רב-אלקטרונית

 

המרה של אנרגיה סולארית לדלק נוזלי תלויה בד״כ בתהליכי חמצון חיזור-(חימזור) במסגרתם מועברים מספר מטענים, אשר נוצרו במוליך למחצה בעקבות עירור ע"י אור, לתוך קולט. למשל, לראקצית פיצול המים למימן וחמצן דרושים ארבעה אלקטרונים, והמרה של פחמן דו-חמצני למתאן דורשת שמונה אלקטרונים. למעשה לא מדובר בראקציה אחת, אלה שרשרת ראקציות שמוליכות בהדרגה לתוצר הסופי. תוצרי הביניים של תגובות רב-אלקטרוניות אלו כוללות לרוב יונים או רדיקלים פעילים מאד, שהינם בעלי סבירות גבוהה להגיב בתגובה הופכית, כלומר חזרה לחומרי המוצא של הראקציה. במקרה כזה הולכת לאיבוד האנרגיה הסולרית שהושקעה לטובת יצירת המטענים. תגובות הופכיות שכאלה מהוות חסם משמעותי בדרך להשגת יעילות ריאקציה מירבית. לאחרונה, חוקרים בטכניון (בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת אלינוי) גילו שניתן למזער תגובות הופכיות, לצמצם את מסלולי הריאקציה הבלתי רצויים, ולייעל משמעותית את התגובה הפוטוקטליטית, כאשר המוליך למחצה מעורר באופן שמאפשר מעבר כמעט בו זמני של מטענים רבים לקולט.

לשם כך, דרושה הגברה מיוחדת של יכולת בליעת האור על-ידי הקטליזטור המוליך למחצה. למשימה זו, החוקרים השתמשו באנטנה ׳פלסמונית׳ שידועה ביכולתה להגביר בכמה סידרי גודל שלל אינטראקציות בין אור-לחומר. במקרה זה, נעשה שימוש באנטנה פלסמונית העשויה מפריזמת זהב במימד ננומטרי, על מנת להגיע לרמות הדרושות של עירור רב מטעני במערכת המוליך למחצה הפוטו קטליטי. תחת ההגבר שמשרה האנטנה הפלזמונית מסוגל המוליך למחצה הפוטוקטליטי לבלוע שני פוטונים (חלקיקי אור) ברצף, תהליך אשר באופן טבעי הינו חלש למדי ואיננו מתאים למטרות פרקטיות.

החוקרים בחרו להדגים את הפוטנציאל של ההגבר הפלזמוני באמצעות ראקציות ציפוי מושרה אור של המתכות פלטינה ופלדיום, במסגרתן דרוש מעבר של שני אלקטרונים. גידול המתכות בנוכחות האנטנה הפלסמונית נמצא מהיר ויעיל באופן דרמטי ביחס לגידולן בתנאים זהים אך בהעדר ההגבר הפלזמוני.   חשוב לציין שמנגנון ההגבר של האנטנה הפלזמונית המוצג במחקר זה הינו לא ליניארי ועל כן הינו בעל פוטנציאל להגברה משמעותית במיוחד של הפעילות הפוטוקטליטית.

החוקרים צופים שהאפקט זה של שיפור הפעילות הפוטוקטליטית של מוליך למחצה באמצעות עירור רב אלקטרוני, תופעה שנכון להיום עדיין טרם נחקרה, יועיל לקידום מגוון רחב של ריאקציות בעלות חשיבות טכנולוגית שמוגבלות על-ידי מהירות תגובה איטית. בנוסף, חוזים החוקרים פוטנציאל עתידי לביסוס ראקציות חימצון חיזור באופן מבוקר היטב במרחב  (כלומר יכולת לשלוט באופן ממוקד במיקום בו מתרחשת ראציה נבחרת).

 

 

 

 

 

 

איור. איור המתאר ריאקציה דו-אלקטרונית מושרת אור של גידול מתכת (חלקיקים סגולים),  המתנהל בלעדית על חלקיקי הפוטוקטליזטור (חלקיקים צהובים) המצויים תחת ההגבר של האנטנה הפלזמונית (פריזמת הזהב).

 

המאמר פורסם בעיתון המדעי Nano Letters:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01392