这是一个将硅半导体与分子催化剂结合在一起的混合体系。

植物垄断着太阳。它们吸收光线，穿梭电子，将光转化为生命。然而，尽管经历了亿万年进化，植物的效率却出奇地低。太阳能量最高的光线照射到叶片上，大部分瞬间就变成了无用的热量。

人类的效率也同样受限：即使我们最先进的硅太阳能板，也会在不到一万亿分之一秒内让那些高能热量散失掉。不过，落基山国家实验室的一个团队终于找到了在闪电般消逝前抓住它的方法。

研究人员开发出一种混合半导体-催化剂体系，捕获高能太阳光的效率远超太阳能板或植物。该系统可以轻松捕获那些原本会被浪费为热量的高能太阳光。有趣的是，这种混合材料能使高能“热电子”的存活时间比标准硅延长 2.5 万倍。

“我们的工作致力于突破从太阳获取能量的极限，本研究中使用的半导体-分子催化剂混合体系揭示了一条可能的路径。”落基山国家实验室的研究科学家内森·尼尔表示。

“我们发现，这种混合体系中的电子态能让光生电子保持足够高能的状态，从而用于化学反应，”第一作者补充道。

这项研究的主要动因在于现有光捕获系统的固有低效——太阳能板仅能捕获约 20% 的入射能量，而植物更是只利用了 1%。

造成这种浪费的原因在于，太阳光产生的高能电子在可被转化为有用功之前，其多余能量会以热的形式迅速耗散。找到防止这种即时能量损失的方法，将有助于利用目前被浪费的巨大太阳能资源库。

“高能电子在材料中通常会通过与分子振动耦合并加热周围环境而极快地损失能量，”尼尔说。“通过将光捕获硅半导体与分子催化剂之间的电子态杂化融合，我们的材料使电子至少保持 5 纳秒的‘热’态，这有可能用于以卓越效率驱动光催化。”

为了解决这一问题，新方法用一种特定的化学连接剂——亚乙基吡啶单元，将硅纳米晶与分子催化剂融合在一起。这有助于调控表面化学，并将电子“热”态的寿命延长到 5 纳秒，大约是硅中典型冷却时长的 2.5 万倍。

“对连接基团化学性质的极度敏感告诉我们，仅仅在半导体和表面键合催化剂之间提供空间邻近性，不足以实现高效的光致过程，”研究人员指出。

该研究借助多种光谱方法和量子力学计算，证实了这种分子连接剂营造出了一种独特的电子环境。

研究结果显示，这些杂化电子态让热电子能够同时分布于硅和催化剂之上。正是这种空间分布稳定了电子，阻止了通常会限制太阳能转化效率的快速能量损失。

尽管直接的阳光到燃料半导体尚未成为主流，但这项研究证明了利用“热”电子驱动高能化学过程的可行性。

借助这项技术，工程师们可以高效地将水分解为氢气，或将二氧化碳转化为碳氢燃料和化学品。此外，该技术还可用于从大气中的氮气合成肥料，为工业生产和能量收集提供一条可持续的路径。

该研究成果已发表在《美国化学会志》上。

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