金-钯双金属纳米颗粒中反常温度梯度的发现及其在光催化中的应用

研究人员通过构建金-钯双金属纳米天线-反应器系统，解决了传统光催化中活性金属吸光效率低的关键问题。实验发现脉冲激发后，钯卫星颗粒温度比吸光的金核高180 K，形成反常温度梯度。该研究为设计高效脉冲光催化剂提供了新思路，成果发表于《Nature Communications》。

　　

在光催化领域，金属纳米颗粒因其独特的等离子体效应备受关注，但长期存在一个根本性矛盾：具有强光吸收能力的金、银等贵金属催化活性较低，而高活性的钯(Pd)、铂等过渡金属却难以有效捕获光能。这一"光-催化活性不匹配"现象严重制约了光催化效率的提升。传统解决方案是通过构建双金属结构将光吸收和催化功能分离，但能量在金属间的传递机制尚不明确，特别是热力学过程存在诸多未解之谜。

德国研究团队在《Nature Communications》发表的这项研究，首次揭示了金-钯双金属纳米颗粒中令人惊讶的反常温度分布现象。通过精确控制钯卫星颗粒的负载量（从19%到149%体积比），研究人员发现当金核吸收光能后，能量会优先在钯颗粒中积累，形成高达180 K的温度差。这种"能量漏斗"效应使催化活性位点的温度比吸光部位高出一个数量级，为突破光催化反应能垒提供了新途径。

研究采用四个关键技术：1）胶体化学法合成尺寸均一的金核（21 nm）和钯卫星（2.5 nm）双金属结构；2）高分辨透射电镜(HR-TEM)和能量色散X射线谱(EDX)表征元素分布；3）飞秒瞬态吸收光谱监测电子温度动态；4）三温度模型(3TM)量化电子(θ_e)、金声子(θ_ph,Au)和钯声子(θ_ph,Pd)的实时温度。

Sample characterization

通过HR-TEM证实钯卫星在金核表面外延生长，晶格匹配良好。电磁模拟显示Pd19%样品中金核吸收84%光能，但瞬态吸收谱却显示钯主导能量耗散过程。

Transient absorption measurements

飞秒泵浦-探测实验发现，随着钯含量增加，电子冷却速率显著加快。纯金纳米颗粒电子弛豫时间约6 ps，而Pd149%样品缩短至1 ps以下，证明钯的强电子-声子耦合(G_Pd=4×10¹⁷ W m^-3 K^-1)主导能量转移。

Three-temperature model

建立的3TM模型完美拟合所有实验数据（图4），揭示出独特的三阶段能量传递：1）光激发后电子系统快速热化（<100 fs）；2）钯声子在2 ps内升温至460 K，而金声子仅达310 K；3）约100 ps后系统整体热平衡。模型参数显示钯的电子热容(γ_Pd=400 J m^-3 K^-2)和电子-声子耦合强度分别是金的5.6倍和19倍。

这项研究颠覆了传统认知，证明在纳米尺度可建立与能量输入方向相反的温度梯度。其重要意义在于：1）为设计高效"天线-反应器"光催化剂提供新原则——应选择电子-声子耦合强度差异大的金属组合；2）揭示脉冲光催化可产生瞬态高温活性位点，避免整体过热导致的副反应；3）建立的3TM模型可推广至其他金属体系，如铜-镍、银-铂等。该发现对实现精准控温的局域催化具有重要指导价值，为开发新型能源转化系统开辟了道路。