Harvesting multiple electron–hole pairs generated through plasmonic excitation of Au nanoparticles

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作者
Youngsoo Kim,Jeremy G. Smith,Prashant K. Jain
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:10 (7): 763-769 被引量:358
标识
DOI:10.1038/s41557-018-0054-3
摘要

Multi-electron redox reactions, although central to artificial photosynthesis, are kinetically sluggish. Amidst the search for synthetic catalysts for such processes, plasmonic nanoparticles have been found to catalyse multi-electron reduction of CO2 under visible light. This example motivates the need for a general, insight-driven framework for plasmonic catalysis of such multi-electron chemistry. Here, we elucidate the principles underlying the extraction of multiple redox equivalents from a plasmonic photocatalyst. We measure the kinetics of electron harvesting from a gold nanoparticle photocatalyst as a function of photon flux. Our measurements, supported by theoretical modelling, reveal a regime where two-electron transfer from the excited gold nanoparticle becomes prevalent. Multiple electron harvesting becomes possible under continuous-wave, visible-light excitation of moderate intensity due to strong interband transitions in gold and electron-hole separation accomplished using a hole scavenger. These insights will help expand the utility of plasmonic photocatalysis beyond CO2 reduction to other challenging multi-electron, multi-proton transformations such as N2 fixation.
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