[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出七种简单且低成本的实验方法，用于在无需先进热成像技术的情况下检测并量化等离子体驱动化学中的光热效应。通过利用温度依赖的反应动力学、对照实验和热淬灭技术，该方法使研究人员能够区分等离子体反应中的热效应与非热效应，为催化、传感和能源应用中光热机制的验证提供实用框架。

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.

研究动机与目标

• 解决在等离子体驱动化学反应中区分光热效应与非热过程的挑战。
• 提供实验可操作、低成本的替代方案，以替代复杂的纳米尺度热成像技术。
• 使来自光催化、生物传感和多相催化等不同领域的研究人员能够验证等离子体系统中的热贡献。
• 通过提供可重复的实验协议来验证光热效应，对现有文献进行批判性评估。
• 标准化等离子体反应中温度升高的实验验证，减少报告机制中的模糊性。

提出的方法

• 通过在光照下假设遵循阿伦尼乌斯行为，利用温度依赖的反应速率推断热贡献。
• 使用非吸收基底或非等离子体纳米颗粒进行对照实验，以分离热效应与等离子体激发的影响。
• 通过引入热汇或冷却反应环境实施热淬灭，以抑制光热效应。
• 在相同光照条件下，比较带有和不带有热绝缘或散热机制的反应产率。
• 监测反应速率随入射光强度和温度的变化，以区分热过程与光化学路径。
• 利用已知比热容和温度升高测量值，进行简单的量热估算以量化能量输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无需纳米尺度热成像技术的情况下，实验检测等离子体驱动反应中的光热贡献？
• RQ2 在宏观实验中，集体加热效应在多大程度上掩盖了等离子体系统中的真实温升？
• RQ3 哪些简单且低成本的实验协议能可靠地区分等离子体催化中热效应与非热效应机制？
• RQ4 研究人员如何在生物传感和光催化等多样化应用中验证光热效应的存在？
• RQ5 在化学反应中，哪些对照实验最有效地将等离子体激发引起的热贡献与其他热效应分离？

主要发现

• 所提出的实验方法可在无需专用热成像设备的情况下，可靠检测光热效应。
• 在对照实验的辅助下，光照下的温度依赖反应动力学可作为热贡献的直接指标。
• 热淬灭策略能有效抑制光热路径，从而隔离非热机制。
• 使用非等离子体材料或非吸收基底的对照实验有助于识别与等离子体无关的基线热效应。
• 可通过简单的量热估算对热输入进行交叉验证，以预测等离子体系统中的温度升高。
• 该方法论框架使研究人员能够通过提供可重复的实验协议，对现有文献进行批判性再评估，以验证光热贡献。