氫能作為一種完全清潔的可再生能源，它的制備對于解決環境污染與能源短缺問題具有重要意義，當前光催化水分解制氫是生產氫氣的一種重要途徑。近日，南京工業大學呂剛教授課題組與電子科技大學、德國達姆施塔特工業大學合作，設計出一種新型等離激元復合材料，可作為高效且穩定的析氫光催化劑，還可拓展應用于二氧化碳還原、固氮等領域。
據悉，金屬卟啉類催化劑由于具有獨特的共軛結構、優異的光電性能等，被應用于析氫反應，但是其光吸收能力和光穩定性均較差。而金屬納米顆粒(如金、銀和銅等)，在可見光或近紅外光譜區，可顯示出局域表面等離激元共振效應，即金屬表面自由電子發生集體振蕩的現象，具有卓越的光學特性。
在光照作用下，等離子體納米結構附近會產生局部電磁場、局部加熱以及熱電子的激發，可以促進附近的分子的化學反應活性。然而，等離激元產生的熱電子難以在單組分納米結構中有效分離，限制了它們在化學反應中的應用。為了解決這個問題，科學家們正在開發等離激元復合材料，并將這類材料作為等離激元介導的光催化劑。
“基于局域表面等離激元效應，處于等離激元納米結構周圍的這些分子催化劑的催化活性可以顯著提高。”呂剛介紹說，課題組通過將外端帶有4個吡啶基的鈷卟啉分子與金納米顆粒進行復合，利用金顆粒的等離激元效應激發鈷卟啉分子催化劑的活性，提升催化反應的效率，成功開發出一種高效且穩定的析氫光催化劑，獲得的周轉頻率高達每小時4650。
研究表明，該系統優異的光催化析氫活性可歸功于金納米顆粒和鈷卟啉分子之間的強協同作用。“實驗結果和理論計算都表明，等離激元金納米顆粒在金顆粒—鈷卟啉界面處產生熱電子的壽命得到延長，并且可以將熱電子轉移到鈷卟啉分子的最低未占據軌道上，有利于促進析氫反應的進行。”呂剛表示。
“該方法制備過程簡單，為高效雜化納米催化劑的設計和制備提供了一種全新方法，還可以擴展到其他光催化體系，如二氧化碳還原、固氮等領域。”項目團隊成員盛回香說，還原二氧化碳制備一氧化碳、甲醇、甲烷、乙醇、乙烯等含碳化合物，主要是利用等離激元效應激發相應分子催化劑的活性，從而提升催化反應的效率。該研究成果可以將等離激元納米結構與催化二氧化碳還原的分子催化劑結合，利用等離激元提升分子催化劑的活性，從而提升二氧化碳還原的效率。
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