金三明治可以让世界更具可持续性

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在追求可持续发展的社会中，越来越需要开发革命性的太阳能电池或人工光合作用系统，它们利用来自太阳的可见光能量，同时使用尽可能少的材料。

北海道大学电子科学研究所平冈拓晃三泽教授领导的研究小组一直致力于开发一种光电极，通过使用负载在半导体上的金纳米粒子，可以收集宽光谱范围内的可见光。但是，只涂一层金纳米颗粒并不能产生足够的光吸收，因为它们只接收很窄光谱范围内的光。

在《自然纳米技术》发表的研究报告中，研究团队在100nm的金膜和金纳米粒子之间夹入了30nm的二氧化钛薄膜半导体，以增强光吸收。当该系统受到来自金纳米颗粒侧面的光线照射时，金膜就像一面镜子，捕捉两层金层之间空腔中的光线，并帮助纳米颗粒吸收更多的光线。

令他们惊讶的是，超过85%的可见光被光电极收集，这比以前的方法更有效。众所周知，金纳米粒子表现出一种称为局部等离子体共振的现象，这种现象吸收特定波长的光。“我们的光电极成功地创造了一种新的条件，在这种条件下，二氧化钛层中捕获的等离子体和可见光发生强烈的相互作用，允许宽波长范围的光被金纳米粒子吸收，”平冈拓晃三泽说。

当金纳米颗粒吸收光线时，额外的能量会激发金中的电子，从而将电子转移到半导体中。“光能转换效率是没有光捕捉功能时的11倍，”三泽解释道。效率的提高还导致水分解的增强：电子将氢离子还原成氢气，而剩余的电子空穴将水氧化产生氧气——这是一种产生清洁能源的有前途的过程。

“使用非常少量的材料，这种光电极可以有效地将阳光转化为可再生能源，进一步促进可持续社会的实现，”研究人员总结道。

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