Unveiling the Mechanism of Plasmon Photocatalysis via Multiquantum Vibrational Excitation

光催化 机制(生物学) 等离子体子 激发 材料科学 光化学 纳米技术 化学物理 化学 光电子学 催化作用 物理 生物化学 量子力学
作者
Jaeyoung Jeong,Hyun-Hang Shin,Zee Hwan Kim
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (36): 25290-25301 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c08521
摘要

Plasmon photocatalysis reactions are thought to occur through vibrationally activated reactants, driven by nonthermal energy transfer from plasmon-induced hot carriers. However, a detailed quantum-state-level understanding and quantification of the activation have been lacking. Using anti-Stokes surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy, we mapped the vibrational population distributions of reactants on plasmon-excited nanostructures. Our results reveal a highly nonthermal distribution with an anomalously enhanced population of multiquantum excited states (v ≥ 2). The shape of the distribution and its dependence on local field intensity and excitation wavelength cannot be explained by photothermal heating or vibronic optical transitions of the metal-molecule complex. Instead, it can be modeled by hot electron-molecule energy transfer mediated by the transient negative ions, establishing direct links among nonthermal reactant activation, plasmon-induced hot electrons, and negative ion resonances. Moreover, the presence of multiquantum excited reactants, which are far more reactive than those in the ground state or first excited state, presents opportunities for vibrationally controlling chemical selectivities.
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