太赫茲波揭示超快的人工光合作用中的細節

導讀：

來自osaka university與Tokyo institute of technology的研究人員直接觀察到人工光合作用中持續時間約為ps量級的電荷轉移與內部分子相互作用的過程。利用在太赫茲波段的洩露全反射光譜技術，研究人員揭示了在以triethanolamine（TEOA）作為還原劑的溶劑中的人工光合作用材料的人工光合作用過程，他們的研究成果發表在scientific reports 期刊上。

人工光合作用，或光催化作用就是主要利用CO2在光照條件下產生化學能的過程，這種化學能被認為是下一代清潔能源。特別地，使用錸化合物的光催化反應更加高效。為了製作高效的光催化反應分子，有必要去了解光合作用在ps時間內的過程。然而，不可能在光合作用過程中觀察到所有反應的現象。

研究人員利用time-resolved attenuated total reflection（TR-ATR）成像技術去獲得有關光合作用過程中電荷的轉移和分子相對位置改變的信息。吸收光後的光催化分子使CO2轉變為CO，變到更高的能級。研究人員去觀察在光合作用中氧化劑TEOA的電荷是如何轉移到錸。

由於使用的是太赫茲波，它的頻率比可見光和近紅外光低，在太赫茲波段下可以揭示分子內部的振動。這樣就允許研究人員觀察TEOA分子的電荷是如何轉移到錸化合物中的。

然而，在研究光催化過程中，大部分溶劑對太赫茲波段的電磁波都有很強的吸收，很難去觀察在TEOA溶劑中的錸,因此，該研究小組將洩露全內反射光譜技術和時域太赫茲光譜技術結合一起形成了太赫茲波段的TR-ATR技術。

Fig.1

另外，為了實現較高的時間分辨能力的測量，研究人員結合pump probe spectroscopy技術和TR-ATR技術，觀察TEOA分子的移動以及在光催化反應過程中在皮秒時間內它的電荷是如何轉移的。使用pump probe spectroscopy 技術，一箇中心波長為400nm的光脈衝激發樣品，在一段延遲時間後，利用太赫茲脈衝探測樣品。在光激勵後，可以通過三步達到皮秒分辨精度的過程去揭示分子內部相互作用的過程：

• 由開始到9皮秒，由於吸收了光，錸化合物的溫度快速升高，還有錸離子向TEOA分子中的熱傳遞，但是，在激發態後溫度就降下來了。
• 從10到14皮秒，由於TEOA分子的旋轉，錸離子與TEOA分子之間的距離不斷地減小。
• 在14皮秒之後，電荷由 TEOA轉移到錸。由於庫侖力的作用這些帶電分子距離逐漸變大，最終分離開。

Osaka university的教授Kimura說：“使用太赫茲波有助於我們觀察還原劑在光合作用過程中所起的作用。在太赫茲波段的TR-ATR光譜技術有助於發展高效的光合作用。通過光譜技術觀察兩個分子之間的距離以及電荷轉移的動態過程的這一技術同樣有助於研究在生物和化學領域的各種反應過程”。

[1] Phuong Ngoc Nguyen, Hiroshi Watanabe, Yusuke Tamaki, Osamu Ishitani, Shin-ichi Kimura. Relaxation dynamics of Re(CO)2(bpy){P(OEt)3}2 in TEOA solvent measured by time-resolved attenuated total reflection terahertz spectroscopy. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-48191-4.

[2] Osaka University. "Terahertz waves reveal hidden processes in ultrafast artificial photosynthesis."ScienceDaily. ScienceDaily, 12 September 2019.www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190912094712.htm.