美国落基山国家实验室的研究团队近日在《美国化学会杂志》上发表成果，展示了一种由硅半导体与分子催化剂耦合而成的混合系统，该系统能够捕捉植物和传统太阳能电池板均未利用的高能阳光，并将其用于驱动燃料制造等化学反应。这项涉及人工光合作用与光催化领域的研究，题为《高能杂交态使钴-硅纳米晶体系统中的高温电子寿命长》。

当前太阳能电池板仅消耗约20%的入射光能，植物和其他光合作用生物可能只消耗约1%，两者均面临高能电子以热量形式迅速耗散的问题。落基山国家实验室研究科学家兼论文第一作者Nathan Neale表示："我们的工作旨在突破太阳能产出的极限，而本研究中使用的半导体-分子催化剂混合系统揭示了一条可能的路径。我们发现这种混合系统中的电子态能让光生成电子保持足够的能量，从而用于化学反应。"

研究团队通过操控半导体表面的分子化学实现了更长的电子寿命，关键因素是一个名为乙烯吡啶的连接基团，它将硅纳米晶体与催化剂融合，形成使电子得以持续存在的混合电子态。Nathan Neale说："高能电子在材料中通常通过与分子振动耦合并加热周围环境，迅速失去能量。通过混合光收集硅半导体与分子催化剂之间的电子态，我们的材料使电子保持'高温'至少5纳秒，这有可能用于以更高效率驱动光催化。"这一时间约为硅中热电子冷却时间的25,000倍，远超电子冷却中通常观测到的数十飞秒。

研究人员利用多种光谱方法和量子力学计算确认了混合电子态的作用，发现热电子可在硅和催化剂中同时扩散。美国落基山国家实验室通过这项硅基光催化系统的研究，为将二氧化碳转化为碳氢化合物燃料、从大气中合成化肥等应用提供了新的技术路径，硅基光催化系统的出现为人工光合作用领域带来了实质性进展。

出版详情：作者：Trung H. Le等，标题：《高能杂交态使钴氧化肟-硅纳米晶系统中热电子长寿命》，发表于：美国化学学会杂志（2026年），杂志信息：美国化学学会杂志