توحيد التأثيرات البلازمونية والفوتونية لتعزيز إنتاج الهيدروجين الضوئي بمعدل يتجاوز 550 مللي مول ⋅ ساعة−1 ⋅ غرام كات−1

الملخص يُعد دمج الجسيمات النانوية البلازمونية مع البلورات الفوتونية ذو إمكانيات هائلة لتعزيز عملية التمثيل الضوئي للهيدروجين الأخضر من خلال تضخيم الحقل الكهرومغناطيسي المحلي عن طريق توليد البلازما السطحية والفوتونات البطيئة. تصاميم الفوتونيات البلازمونية الحالية تعتمد بشكل أساسي على هيكل هيكلي قائم على أشباه الموصلات المودعة بالجزئيات البلازمونية. ومع ذلك، فإن التنافس بين الظواهر البصرية المختلفة في هذه المجموعات يعيق تعزيز الحقول الفعال بدلاً من تسهيلها. يخلق هذا القيد عنق زجاجة أداء هائل يُبطئ من تطوير الهيدروجين. هنا، نقوم بتحسين التحفيز البلازمني لتطوير هيدروجين فعال من خلال توحيد التأثيرات البلازمونية والفوتونية بشكل فعال. يتم تحقيق ذلك باستخدام أوبال SiO 2 غير الممتص للضوء كإطار فوتوني غير ممتص للضوء. من خلال مواءمة أطوال موجات التحفيز للبلازما السطحية والفوتونات البطيئة، تُظهر بلوراتنا الفوتونية البلازمونية المُحسّنة معدل تطور هيدروجين ملحوظ يبلغ 560 مللي مول ساعة −1 غرام فضة −1، متجاوزةً الجسيمات النانوية البلازمونية الفضية العارية بأكثر من 10^6 مرة وتصاميم تحفيزية ضوئية عالية الأداء الأخرى بمقدار 280 مرة. تسلط الدراسات الآلية الضوء على الدور المحوري للإطار الفوتوني غير الممتص للضوء في تسهيل احتجاز الضوء الفعال من خلال التأثير الفوتوني. يؤدي ذلك إلى تعزيز الحقل البلازمي لزيادة تطور الهيدروجين الضوئي، حتى دون الحاجة إلى محفزات مساعدة إضافية. يوفر عملنا رؤى قيمة لتصميم محفزات بلازمونية ساخنة كهرومغناطيسياً لتحقيق تحويلات فعالة من الضوء إلى مواد كيميائية في تطبيقات الطاقة والمواد الكيميائية والبيئة المتنوعة.