Menu

在等离子体金属纳米结构上催化太阳能转化为化学能

        金属纳米颗粒是一种重要的非均相催化材料,用于许多的化学转化中,例如脱氢、部分氧化、还原反应、氨合成和烃类转化等。为了提供足够的能量激活纳米颗粒表面的化学键,这些过程通常在相对较高的温度下进行。这种方法可能导致非选择性反应过程也同时被激活,即生成副产物和其他杂质。另一种激活金属表面化学键的机制涉及到将高能载流子激发到反应物中。这些电子激发能导致化学转化。在这一机制下,原则上有可能通过调节电子激发的特定靶向性来改善对化学反应结果的控制,优先激活所需的化学转化。
        2018年9月美国密歇根大学的研究者在《nature catalysis》上的一篇综述介绍了根据上述机制进行催化反应的等离子体金属纳米颗粒。等离子体金属纳米颗粒是一种光收集材料,通过激发局部表面等离子体共振(LSPR)与可见光相互作用。当波长超过金属纳米粒子大小的光引起金属纳米颗粒中自由电子的共振集体振荡时,就形成了LSPR。这种物理过程使得纳米粒子能够收集可见光的能量,将其集中在粒子表面附近,最终将光能转化为激发态载流子的能量。常见的等离子体金属包括Au、Ag、Cu等。为了证明金属上的光驱动反应确实是由高能载流子驱动的,研究者们进行了等离子体Ag纳米颗粒上的16O218O2解离实验。实验结果表明,光激发下等离子体激发的高能载流子确实会促进O2的解离。
        上述反应在块状金属表面进行时需要更大的光强度,虽然这种差异部分源于纳米颗粒拥有更大的光学截面,但可能还有其他因素使得等离子体金属纳米颗粒的效率显著提高。能量从金属转移到吸附物(反应物)的公认机制为能量间接转移机制,即等离子体金属的光激发促使高能载流子的激发,载流子向吸附物(反应物)转移并向吸附物(反应物)提供能量,但是该机制无法有效控制能量转移过程,不足以说明等离子体纳米颗粒的高效。因此,研究者提出了能量直接转移机制,该机制涉及到吸附/金属界面上的金属-反应物复合物中载流子的直接激发。与间接机制相反,直接机制避免了金属中载流子的激发,这表明,通过在具有共振光子的界面处靶向特定状态,可以将等离子体激元能量引导至特定吸附物。这种对于等离子体催化中能量流动机制的理解,为我们提供了将等离子体纳米结构与其他非等离子体材料结合成多组分等离子体催化剂的框架。
       这篇综述提供了等离子体催化的基本概述,围绕等离子体催化过程中使用高能载流子(与热相反)的激发来驱动表面化学这一主题进行了详细的讨论,并重点介绍了该领域的最新进展。此外,这篇综述强调了在等离子体催化中发挥作用的潜在物理机制的重要性,并讨论了由这些物理见解引发的可能性和局限性。(来源:QYIM & AMSC WJ HUANG 编报)

Username:

Password:

联系我们 Contact