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材化学院研究生李召在《先进功能材料》上发表光催化制氢方向研究成果

2023-05-11758编辑:董真摄影:

近日,材料与化学学院研究生李召在国际高水平期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,中科院一区,IF: 19.924)上发表了题为“局域表面等离子体共振促进金属有机框架基光催化制氢”(Localized surface plasmon resonance promotes metal-organic framework-based photocatalytic hydrogen evolution)的研究成果,李召为第一作者,材化学院廉孜超教授为唯一通讯作者,材化学院为唯一完成单位。

由于化石燃料有不可再生性,其燃烧往往伴随着氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等有害气体的产生,急需寻找洁净、可再生、高效的能源材料替代化石燃料。而光催化分解水制氢因其清洁环保的优势,已成为解决能源危机和环境污染问题的重要途径。

在光催化分解水制氢过程中,需要提高光催化析氢反应活性,这一环节实现光生电子-空穴对的有效分离成为关键。研究发现,将具有表面等离子体共振的金属纳米颗粒与金属有机框架基光催化剂相结合,是实现电子-空穴对高效分离的一种新方法。典型的光催化过程通常可以分为三个连续的步骤:即光吸收、电荷分离/迁移和表面反应。具体来说,半导体可以在吸收光(光子能量大于或等于其带隙能量)后被激发,从而导致载流子(例如电子和空穴)分离。随后,一些载流子可能迁移到半导体表面,并在那里开始一系列的还原或氧化反应。由于氢气的产量主要取决于迁移至光催化剂表面参与反应的光生电荷量,因此,可以从光催化的三个过程进行优化以产生更多的光生电荷、减少光生电荷的消耗并促进光生电荷成功迁移至催化剂表面,从而最大限度地提高产氢效率。考虑到光催化的第一个过程,必须结合带隙与太阳光谱之间的匹配性,在满足水分解的氧化还原电势的同时,尽量缩小半导体的带隙,以利用更多的太阳能。第二个过程中需要抑制光生电荷的复合,使光生电荷快速分离并转移至表面进行所需的化学反应。一般来说,半导体光催化剂的尺寸越小,光生电荷迁移至表面的距离越短,有利于光生电荷的输运;结晶性越好,内部的缺陷越少,对光生电荷的捕获越少,有利于减小光生电荷的复合率。而在第三个过程中,则需要考虑光催化剂的表面性质,如活性位点和表面积等影响。


光催化的三个过程

该研究对光催化的三个过程进行优化,以NH2-UiO-66(金属有机框架的一种)作为宿主,分别在其内部和外部修饰具有表面等离子体共振效应的金(Au)和硫化镉(CdS)纳米颗粒,制备出Au@NH2-UiO-66/CdS三元光催化剂。由于金纳米颗粒的表面等离子体共振效应和助催化剂的作用,在可见光照射下,Au@NH2-UiO-66/CdS的光催化活性(664.9 μmol g-1 h-1)分别是硫化镉(23.6 μmol g-1 h-1)和硫化镉(185.8 μmol g-1 h-1)的28倍和3.6倍。此外,本研究还发现了金纳米颗粒的大小也是影响光催化析氢过程的关键因素,利用飞秒瞬态光谱技术首次详细的揭示了Au@NH2-UiO-66/CdS的载流子转移机制,从而清晰地确定了Au@NH2-UiO-66/CdS中载流子的两种转移路径,在原理图中可以看出Au@NH2-UiO-66/CdS在400纳米和530纳米处的表观量子效率分别为5.1%和1.2%。

该研究结果可为其他具有表面等离子体共振效应的高效光催化剂的设计提供指导,并将引起能源和环境科学研究人员的极大兴趣。该工作得到了国家自然科学基金和上海市原创探索类基金的支持。


论文原理图


【相关】

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303069

课题组主页:https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao


供稿:材化学院