大連化物所實(shí)現(xiàn)表面等離激元光催化的可見光下水的完全分解

大連化物所實(shí)現(xiàn)表面等離激元光催化的可見光下水的完全分解

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李燦團(tuán)隊(duì)在表面等離激元光催化水分解的機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展，確認(rèn)金屬—半導(dǎo)體界面可同時(shí)作為熱空穴的捕獲位點(diǎn)和水氧化的反應(yīng)中心，并實(shí)現(xiàn)了可見光下水的完全分解。

利用光催化分解水將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，受到全世界廣泛的關(guān)注。表面等離激元光催化劑由于其具有拓展可見光吸收的潛力，進(jìn)而提高太陽能制氫轉(zhuǎn)化效率，近年來受到學(xué)術(shù)界越來越多的重視。在太陽能分解水制氫過程中，水的氧化反應(yīng)是瓶頸反應(yīng)。因此，研究光催化的水氧化過程一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而到目前為止，學(xué)術(shù)界對(duì)于表面等離激元產(chǎn)生的熱空穴用于氧化水的機(jī)理和反應(yīng)中心并不清楚。

在本工作中，研究人員制備了納米Au/TiO2表面等離激元催化劑，發(fā)現(xiàn)其水氧化反應(yīng)受到二氧化鈦表面結(jié)構(gòu)的極大影響；通過表面光電壓譜

(SPV)在單個(gè)粒子上的成像表征，發(fā)現(xiàn)表面等離激元誘導(dǎo)產(chǎn)生的熱空穴主要分布在Au-TiO2的界面附近。進(jìn)一步通過選擇性光沉積實(shí)驗(yàn)并結(jié)合高分辨元素成像表征，清楚地表明Au-TiO2的界面是光催化氧化水反應(yīng)的活性中心；理論計(jì)算結(jié)果也表明，Au/TiO2催化劑界面處的獨(dú)特的Au-O-Ti結(jié)構(gòu)能夠有效降低反應(yīng)的活化能，是水氧化反應(yīng)的活性中心。基于此進(jìn)展，研究人員利用表面等離子激元催化劑構(gòu)筑了Z-scheme體系，實(shí)現(xiàn)了可見光下水的完全分解反應(yīng)。更重要的是，該研究團(tuán)隊(duì)最近構(gòu)筑的全固態(tài)的Z-scheme人工光合體系同樣也實(shí)現(xiàn)了可見光下水的完全分解。

該工作解決了長期以來表面等離激元光催化劑水氧化活性位點(diǎn)的疑難問題，并基于表面等離激元催化劑實(shí)現(xiàn)了可見光下水的完全分解反應(yīng)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高效表面等離激元催化劑水分解反應(yīng)提供了新思路。