维度网讯，落基山国家实验室（NLR）的研究团队发现，将硅半导体与分子催化剂耦合，能够捕获更高能量的阳光，并用于驱动二氧化碳转化为碳氢燃料或从大气中合成氨等化学反应。这项研究涉及人工光合作用和光催化领域，相关成果已发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，论文标题为“高能杂化态使钴肟-硅纳米晶系统中长寿命热电子成为可能”（High-Energy Hybridized States Enable Long-Lived Hot Electrons in Cobaloxime-Silicon Nanocrystal System）。

论文第一作者、NLR研究科学家内森·尼尔（Nathan Neale）表示，这项工作旨在探索从太阳中获取更多能量的极限，而半导体-分子催化剂杂化系统揭示了一种可能的途径。该系统的电子态能使光生电子长时间保持高能状态，从而用于化学反应。目前，太阳能电池板仅利用了入射光中约20%的能量，植物等光合生物可能仅利用了1%。阳光将能量传递给电子，但高能电子很快以热的形式损失掉大部分吸收的能量，这是导致效率低下的主要原因。

尼尔解释说，高能电子通常通过耦合并加热周围环境而迅速损失能量，但通过混合硅半导体和分子催化剂之间的电子态，材料能使电子保持“热”状态至少5纳秒，这比通常观察到的电子冷却时间（数十飞秒）长约25000倍，有可能以更高效率驱动光催化。研究人员通过操控半导体表面的分子化学实现了这一更长的电子寿命，关键因素在于连接基团——亚乙基吡啶单元。该单元将硅纳米晶体与催化剂融合，形成杂化电子态，使电子得以持久存在。

研究人员指出，对连接基团化学的极端敏感性表明，仅提供半导体和表面键合催化剂之间的空间接近不足以实现高效的光诱导过程。尼尔团队通过多种光谱方法研究了半导体/催化剂杂化物，并确认分子连接体的作用。随后，量子力学计算模拟了精确的光电子学，发现杂化电子态使热电子在硅和催化剂中同时扩展。这项工作建立在广泛研究基础上，证明了将太阳光直接转化为燃料的新技术可行性。工程师可利用这些发现使电子保持更长时间的热态，分解水产生氢气，或分解二氧化碳产生碳氢燃料，并获取更多能量。

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