[論文レビュー] Simple experimental procedures to discern photothermal processes in plasmon-driven chemistry

Guillaume Baffou, Ivan Bordacchini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高度な熱顕微鏡を必要とせずに、プラズモン駆動化学反応における光熱効果の検出および定量に向け、7つのシンプルで低コストの実験的手順を提案する。温度依存反応速度、制御実験、熱的クエンチングを用いることで、プラズモニック反応における熱的寄与と非熱的寄与を区別可能となり、触媒、センシング、エネルギー分野における光熱メカニズムの検証に実用的なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Light absorption and scattering of plasmonic metal nanoparticles can lead to non equilibrium charge carriers, intense electromagnetic near-fields, and heat generation, with promising applications in a vast range of fields, from chemical and physical sensing, to nanomedicine, and photocatalysis for the sustainable production of fuels and chemicals. Disentangling the relative contribution of thermal and non-thermal contributions in plasmon driven processes is however difficult. Nanoscale temperature measurements are technically challenging and macroscale experiments are often characterized by collective heating effects, which tend to make the actual temperature increase unpredictable. This perspective is intended to help the reader experimentally detect and quantify photothermal effects in plasmon-driven chemical reactions, to discriminate their contribution from the one due to photochemical processes, and to cast a critical eye on the current literature. To this aim, we introduce 7 simple experimental procedures, which do not require the use of complex or expensive thermal microscopy techniques. These proposed procedures are adaptable to a wide range of experiments and fields of research where photothermal effects need to be assessed, such as plasmonic-assisted chemistry, heterogeneous catalysis, photovoltaics, biosensing and enhanced molecular spectroscopy.

研究の動機と目的

• プラズモン駆動化学反応における光熱効果と非熱的プロセスを区別する課題に対処すること。
• 複雑なナノスケール熱顕微鏡技術の代替として、実験的に容易にアクセス可能な低コストな手法を提供すること。
• 光触媒、バイオセンシング、ヘテログラス触媒など、多様な分野の研究者が、プラズモニック系における熱的寄与を検証できるようにすること。
• 再現可能なプロトコルを提供することで、現在の文献を厳密に吟味し、光熱効果の検証を可能にすること。
• プラズモニック反応における温度上昇の実験的検証を標準化し、報告されたメカニズムにおける曖昧さを低減すること。

提案手法

• 照射下でのアレニウス則に従う仮定に基づき、温度依存反応速度を用いて熱的寄与を推定する。
• 非吸収性基板や非プラズモニックナノ粒子を用いた制御実験を行い、プラズモニック励起からの熱的寄与を分離する。
• 熱吸収体や反応環境の冷却を導入することで、反応を熱的クエンチングし、光熱効果を抑制する。
• 熱絶縁または熱放散機構を有する・なしの同一照射条件下での反応収率を比較する。
• 入射光強度および温度の関数としての反応速度をモニタリングし、熱的経路と光化学的経路を分離する。
• 既知の比熱と温度上昇測定値を用いて、簡単なカルリメトリック推定値を算出し、エネルギー入力を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケール熱顕微鏡を必要とせずに、プラズモン駆動反応における光熱的寄与をどのように実験的に検出できるか？
• RQ2 マクロスケール実験における集団的加熱効果は、プラズモニック系における真の温度上昇をどの程度隠蔽するか？
• RQ3 信頼性が高く、低コストな実験的手順として、プラズモニック触媒における熱的メカニズムと非熱的メカニズムを明確に区別できるものは何か？
• RQ4 バイオセンシングや光触媒応用を含め、多様な応用分野において、光熱効果の存在を研究者がどのように検証できるか？
• RQ5 化学反応において、プラズモニック励起からの熱的寄与を最も効果的に分離するための制御実験は何か？

主な発見

• 提案された実験的手順により、専用の熱顕微鏡装置を必要とせずに、光熱効果の信頼性ある検出が可能である。
• 制御実験と組み合わせた照射下での温度依存反応速度は、熱的寄与の直接的指標として機能する。
• 熱的クエンチング戦略は、光熱経路を効果的に抑制し、非熱的メカニズムの分離を可能にする。
• 非プラズモニック材料や非吸収性基板を用いた制御実験により、プラズモンイクスキューションとは無関係なベースライン熱的効果を特定できる。
• 既知の比熱と温度上昇測定値を用いた簡単なカルリメトリック推定値は、プラズモニック系における温度上昇予測の妥当性を検証するのに利用できる。
• この手法的フレームワークにより、再現可能なプロトコルを提供することで、既存の文献の厳密な再評価が可能となり、光熱的寄与の検証が促進される。