[논문 리뷰] Simple experimental procedures to discern photothermal processes in plasmon-driven chemistry

Guillaume Baffou, Ivan Bordacchini외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 23.

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고급 열 현미경 기술을 요구하지 않고 플라스몬 구동 화학에서 광열 효과를 검출하고 정량화하기 위한 일곱 가지 간단하고 저비용의 실험 절차를 제안한다. 반응 속도의 온도 의존성, 제어 실험, 열 냉각을 통해 플라스모닉 반응에서 열 기여와 비열 기여를 구분할 수 있게 하여 촉매, 감지 및 에너지 응용 분야에서 광열 메커니즘을 검증하기 위한 실용적인 프레임워크를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 플라스몬 구동 화학 반응에서 광열 효과와 비열 과정을 구분하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 복잡한 나노스케일 열 영상 기술의 대체로 실험적으로 접근 가능하고 저비용인 방법을 제공하기 위해.
• 광촉매, 생체 감지 및 이종 촉매와 같은 다양한 분야의 연구자들이 플라스모닉 시스템에서 열 기여를 검증할 수 있도록 하기 위해.
• 재현 가능한 프rotocols를 제공하여 현재 문헌을 비판적으로 평가하고 광열 효과를 검증하기 위해.
• 플라스모닉 반응에서의 온도 상승을 표준화된 실험적 검증을 통해 명확히 하여 보고된 메커니즘에 대한 모호함을 줄이기 위해.

제안 방법

• 조사 조건 하에서 아레니우스 행동을 가정하고, 조사 조건 하에서 반응 속도의 온도 의존성을 통해 열 기여를 추론하기 위해.
• 플라스몬 흡수 성분이 없는 기판 또는 비플라스모닉 나노입자를 사용하여 제어 실험을 수행함으로써 플라스몬 진동에 의한 열 효과를 분리하기 위해.
• 열 수확체나 냉각된 반응 환경을 도입하여 반응의 열 냉각을 통해 광열 경로를 억제하기 위해.
• 열 절연 또는 열 방출 메커니즘의 유무에 관계없이 동일한 조사 조건에서 반응 수율을 비교하기 위해.
• 입사광 강도 및 온도에 따른 반응 속도를 모니터링하여 열 기여와 광화학 경로를 분리하기 위해.
• 기타 열용량과 온도 상승 측정치를 이용한 단순 열량 측정을 통해 에너지 입력을 정량화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노스케일 열 영상 기술이 필요 없이 플라스몬 구동 반응에서 광열 기여를 어떻게 실험적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 macroscopic 실험에서의 집합적 가열 효과가 플라스모닉 시스템에서의 진정한 온도 상승을 얼마나 흐리게 하는가?
• RQ3 플라스모닉 촉매에서 열 기여와 비열 기여를 신뢰성 있게 구분할 수 있는 단순하고 저비용의 실험 프rotocols는 무엇인가?
• RQ4 연구자들은 생체 감지 및 광촉매와 같은 다양한 응용 분야에서 광열 효과의 존재를 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ5 플라스몬 진동에 의한 열 기여를 화학 반응에서 분리하기 위해 가장 효과적인 제어 실험은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 실험 절차는 전용 열 현미경 장비 없이도 광열 효과를 신뢰성 있게 탐지할 수 있게 한다.
• 제어 실험과 함께 조사 조건 하에서의 반응 속도 온도 의존성은 열 기여의 직접적 지표가 될 수 있다.
• 열 냉각 전략은 광열 경로를 효과적으로 억제하여 비열 기여를 분리할 수 있도록 한다.
• 비플라스모닉 물질 또는 비흡수 기판을 사용한 제어 실험은 플라스모닉스와 무관한 기초 열 효과를 식별하는 데 도움이 된다.
• 열 용량과 온도 상승 측정치를 이용한 단순 열량 측정은 플라스모닉 시스템에서의 온도 상승 예측을 상호 확인하는 데 사용될 수 있다.
• 이 방법론적 프레임워크는 재현 가능한 프로토콜을 제공함으로써 기존 문헌의 비판적 재평가를 가능하게 한다.