新設(shè)計助力高效制備氫氣，或可應(yīng)用于固氮

【資料圖】

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(huán)境污染與能源短缺問題具有重要意義，當(dāng)前光催化水分解制氫是生產(chǎn)氫氣的一種重要途徑。近日，南京工業(yè)大學(xué)呂剛教授課題組與電子科技大學(xué)、德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)合作，設(shè)計出一種新型等離激元復(fù)合材料作為高效且穩(wěn)定的析氫光催化劑，該方法還有望應(yīng)用于固氮等領(lǐng)域。成果日前發(fā)表在《自然·通訊》。

據(jù)悉，金屬卟啉類催化劑由于具有獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光電性能等優(yōu)勢被應(yīng)用于析氫反應(yīng)，但是其光吸收能力和光穩(wěn)定性均較差。

而金屬納米顆粒如金、銀和銅等，在可見光和/或近紅外光譜區(qū)，可顯示出局域表面等離激元共振效應(yīng)，即金屬表面自由電子發(fā)生集體振蕩的現(xiàn)象，具有卓越的光學(xué)特性。

在光照作用下，等離子體納米結(jié)構(gòu)附近會產(chǎn)生局部電磁場、局部加熱以及熱電子的激發(fā)，可以有效促進(jìn)附近的分子的化學(xué)反應(yīng)活性。然而，等離激元產(chǎn)生的熱電子難以在單組分納米結(jié)構(gòu)中有效分離，限制了它們在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用。為了解決這個問題，開發(fā)等離激元復(fù)合材料正成為等離激元介導(dǎo)的光催化的主流。

“基于局域表面等離激元效應(yīng)，處于等離激元納米結(jié)構(gòu)周圍的這些分子催化劑的催化活性可以顯著提高?！眳蝿偨榻B，課題組通過將外端帶有四個吡啶基的鈷卟啉分子與金納米顆粒進(jìn)行復(fù)合，利用金顆粒的等離激元效應(yīng)激發(fā)鈷卟啉分子催化劑的活性，從而提升催化反應(yīng)的效率，成功地開發(fā)出一種高效且穩(wěn)定的析氫光催化劑。

“實驗結(jié)果和理論計算都說明了等離激元金納米顆粒在金顆粒-鈷卟啉界面處產(chǎn)生熱電子的壽命得到延長，并且可以將熱電子轉(zhuǎn)移至鈷卟啉分子的最低未占據(jù)軌道上，有利于促進(jìn)析氫反應(yīng)的進(jìn)行。”呂剛表示。

論文的第一作者、南京工業(yè)大學(xué)2020級碩士生盛回香說，該方法具有制備過程簡單及高成本效益的優(yōu)勢，該研究也為高效雜化納米催化劑的設(shè)計和制備提供了一種全新的方法，也可以擴展到其他光催化體系，如固氮等領(lǐng)域。

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