新方法設計出可高效制氫的光催化劑

  ICC訊 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)大學呂剛教授課題組與電子科技大學、德國達姆施塔特工業(yè)大學合作，設計出一種新型等離激元復合材料作為高效且穩(wěn)定的析氫光催化劑，該方法還有望應用于固氮等領(lǐng)域。相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

  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)勢被應用于析氫反應，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，在可見光或近紅外光譜區(qū)，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(fā)生集體振蕩的現(xiàn)象，具有卓越的光學特性。

  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)，可以有效促進附近分子的化學反應活性。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，這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(fā)等離激元復合材料，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(jié)構(gòu)周圍的這些分子催化劑，催化活性可以顯著提高。”呂剛介紹，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(fā)鈷卟啉分子催化劑的活性，從而提升催化反應的效率，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)果和理論計算都表明，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，有利于促進析氫反應的進行?！眳蝿偙硎?。

  論文第一作者、南京工業(yè)大學碩士生盛回香說，該方法具有制備過程簡單，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，如固氮等領(lǐng)域。