近日🧎🏻➡️，材料與化學學院研究生李召在國際高水平期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials🏗🧘🏽，中科院一區🤷🏼♂️✡️，IF: 19.924）上發表了題為“局域表面等離子體共振促進金屬有機框架基光催化製氫”（Localized surface plasmon resonance promotes metal-organic framework-based photocatalytic hydrogen evolution）的研究成果，李召為第一作者，材化學院廉孜超教授為唯一通訊作者，材化學院為唯一完成單位。
由於化石燃料有不可再生性，其燃燒往往伴隨著氮氧化物☹️、硫氧化物和二氧化碳等有害氣體的產生，急需尋找潔凈、可再生🧛🏽♂️、高效的能源材料替代化石燃料。而光催化分解水製氫因其清潔環保的優勢，已成為解決能源危機和環境汙染問題的重要途徑。
在光催化分解水製氫過程中📒，需要提高光催化析氫反應活性，這一環節實現光生電子-空穴對的有效分離成為關鍵。研究發現👩🏻🦼，將具有表面等離子體共振的金屬納米顆粒與金屬有機框架基光催化劑相結合🏚，是實現電子-空穴對高效分離的一種新方法。典型的光催化過程通常可以分為三個連續的步驟🦵🏻：即光吸收👩🏻🌾、電荷分離/遷移和表面反應👷🐹。具體來說👎🏿，半導體可以在吸收光（光子能量大於或等於其帶隙能量）後被激發🌬，從而導致載流子（例如電子和空穴）分離。隨後，一些載流子可能遷移到半導體表面，並在那裏開始一系列的還原或氧化反應🏌️♀️💆♀️。由於氫氣的產量主要取決於遷移至光催化劑表面參與反應的光生電荷量，因此，可以從光催化的三個過程進行優化以產生更多的光生電荷、減少光生電荷的消耗並促進光生電荷成功遷移至催化劑表面👈🏻🧏🏻，從而最大限度地提高產氫效率👶🏿。考慮到光催化的第一個過程，必須結合帶隙與太陽光譜之間的匹配性💇🏿♂️，在滿足水分解的氧化還原電勢的同時👨🏿，盡量縮小半導體的帶隙🧑⚕️🤷🏼♀️，以利用更多的太陽能。第二個過程中需要抑製光生電荷的復合🍶，使光生電荷快速分離並轉移至表面進行所需的化學反應🩶。一般來說♢，半導體光催化劑的尺寸越小，光生電荷遷移至表面的距離越短，有利於光生電荷的輸運；結晶性越好，內部的缺陷越少，對光生電荷的捕獲越少😂，有利於減小光生電荷的復合率🎟。而在第三個過程中🏍，則需要考慮光催化劑的表面性質💑，如活性位點和表面積等影響。
光催化的三個過程
該研究對光催化的三個過程進行優化，以NH2-UiO-66（金屬有機框架的一種）作為宿主，分別在其內部和外部修飾具有表面等離子體共振效應的金（Au）和硫化鎘（CdS）納米顆粒，製備出Au@NH2-UiO-66/CdS三元光催化劑🕠。由於金納米顆粒的表面等離子體共振效應和助催化劑的作用📍，在可見光照射下，Au@NH2-UiO-66/CdS的光催化活性（664.9 μmol g-1 h-1）分別是硫化鎘（23.6 μmol g-1 h-1）和硫化鎘（185.8 μmol g-1 h-1）的28倍和3.6倍🧑🏼🔬。此外🦵🏼🙋♀️，本研究還發現了金納米顆粒的大小也是影響光催化析氫過程的關鍵因素🌑，利用飛秒瞬態光譜技術首次詳細的揭示了Au@NH2-UiO-66/CdS的載流子轉移機製，從而清晰地確定了Au@NH2-UiO-66/CdS中載流子的兩種轉移路徑🏇🏽，在原理圖中可以看出Au@NH2-UiO-66/CdS在400納米和530納米處的表觀量子效率分別為5.1%和1.2%。
該研究結果可為其他具有表面等離子體共振效應的高效光催化劑的設計提供指導👷🏿♀️，並將引起能源和環境科學研究人員的極大興趣。該工作得到了國家自然科學基金和上海市原創探索類基金的支持🧎♀️➡️。
論文原理圖
【相關】
文章鏈接👏：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303069
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao
供稿🧑🏽🍼：材化學院
