人工光合作用是近期可再生能源的研究熱點(diǎn)之一，據(jù)估計(jì)，發(fā)表的研究論文從 2010 年的 1.1 萬篇暴漲到 2017 年的 2.15 萬篇。目前人工光合作用的研究方向有兩個(gè)，一是將水分子分解為氫氣和氧氣，二是降解二氧化碳分子。美國能源部人工光合作用聯(lián)合研究中心作為人工光合作用的領(lǐng)軍研究機(jī)構(gòu)之一，在水分子分解方面做得如此之出色，以至于科學(xué)家認(rèn)為水分子分解領(lǐng)域已經(jīng)成熟，應(yīng)該把目光投向尚有開拓空間的二氧化碳降解。 ~]ZpA-*@Ut  
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按照這條思路，近日，日本科學(xué)家推出了一款基于二氧化鈦半導(dǎo)體、黃金薄膜和黃金納米顆粒的光電極。該光電極對(duì)可見光的吸收效率達(dá)到 85%，其光能-電能轉(zhuǎn)換效率比不使用黃金納米薄膜的光電極高 11 倍。這種光電極能以很高的效率將陽光轉(zhuǎn)化為可再生能源。 H'Yh2a`!o  
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在日本札幌北海道大學(xué)的研究人員與臺(tái)灣 國立交通大學(xué)的研究人員于《自然·納米技術(shù)》雜志上合作發(fā)表的論文中，研究人員表示，在二氧化鈦等半導(dǎo)體表面簡單添加金納米顆粒無法達(dá)到他們期望的光吸收效率。 CI3XzH\IX*  
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后來他們發(fā)現(xiàn)，提高光吸收效率的關(guān)鍵是構(gòu)建一種三明治結(jié)構(gòu)，即：用 100 納米厚的黃金薄膜和黃金納米顆粒作為外層，包裹二氧化鈦半導(dǎo)體構(gòu)成的內(nèi)層。當(dāng)光照在三明治結(jié)構(gòu)一側(cè)的納米金顆粒上時(shí)，另一側(cè)的黃金薄膜像一面鏡子，通過納米空腔捕獲光子，以便黃金納米顆粒能夠繼續(xù)吸收更多光子。 qzb<J=F
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附加的黃金薄膜對(duì)于構(gòu)成納米空腔非常關(guān)鍵，但黃金納米顆粒的等離子體效應(yīng)，即光子撞擊金屬表面時(shí)黃金原子中的電子波動(dòng)，同樣非常重要。 1S@vGq}  
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當(dāng)黃金納米顆粒受到光子撞擊，產(chǎn)生與納米空腔等波長的表面等離子時(shí)，等離子和空腔之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合，顯著提升光-電轉(zhuǎn)換效率。 )BRKZQN  
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不過，研究負(fù)責(zé)人，北海道大學(xué)教授三澤弘明（Hiroaki Misawa）承認(rèn)，他們推出的光電極的高效率不能與其他水分子分解技術(shù)的效率進(jìn)行簡單類比。 N!*_La=TuH  
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具體地，在黃金光電極技術(shù)中，如果半導(dǎo)體粒子數(shù)量充足，那么光吸收效率會(huì)顯著提升。不過，基于硅光電池的水分解系統(tǒng)之前就已經(jīng)出現(xiàn)，這種系統(tǒng)對(duì)可見光的利用效率同樣很高。因此，目前難以比較黃金光電極技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的效率。該研究的意義在于，能夠用如此至少的金屬——僅僅 30 納米厚的金屬-氧化物半導(dǎo)體電極，實(shí)現(xiàn) 85% 的可見光吸收效率。 zt
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未來，研究團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備進(jìn)一步探究強(qiáng)耦合，以及等離子-電荷生成和分離的具體機(jī)理。他們還希望將光電極技術(shù)拓展到其他光能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，比如基于氨的光合作用技術(shù)，以及固態(tài)太陽能電池。