近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室李燦院士團隊在表面等離激元光催化水分解的機理研究方面取得新進展，確認金屬—半導體界面可同時作為熱空穴的捕獲位點和水氧化的反應中心，并實現(xiàn)了可見光下水的完全分解。相關研究結果以全文的形式發(fā)表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04470）。
利用光催化分解水將太陽能轉化為化學能，受到全世界廣泛的關注。表面等離激元光催化劑由于其具有拓展可見光吸收的潛力進而提高太陽能制氫轉化效率，近年來受到學術界越來越多的重視。在太陽能分解水制氫過程中，水的氧化反應是瓶頸反應。因此，研究光催化的水氧化過程一直是重點和難點。然而到目前為止，學術界對于表面等離激元產(chǎn)生的熱空穴用于氧化水的機理和反應中心并不清楚。
大連化物所實現(xiàn)表面等離激元光催化的可見光下水的完全分解反應
在本工作中，研究人員制備了納米Au/TiO2表面等離激元催化劑，發(fā)現(xiàn)其水氧化反應受到二氧化鈦表面結構的極大的影響；通過表面光電壓譜（SPV）在單個粒子上的成像表征，發(fā)現(xiàn)表面等離激元誘導產(chǎn)生的熱空穴主要分布在Au-TiO2的界面附近。進一步通過選擇性光沉積實驗并結合高分辨元素成像的表征，清楚的表明Au-TiO2的界面是光催化氧化水反應的活性中心；理論計算的結果也表明Au/TiO2催化劑界面處的獨特的Au-O-Ti結構能夠有效的降低反應的活化能，是水氧化反應的活性中心。基于此進展，研究人員利用表面等離子激元催化劑構筑了Z-scheme體系實現(xiàn)了可見光下水的完全分解反應。更重要的是，該研究團隊最近構筑的全固態(tài)的Z-scheme人工光合體系同樣也實現(xiàn)了可見光下水的完全分解（J. Catal.）。該工作解決了長期以來表面等離激元光催化劑水氧化活性位點的疑難問題，并基于表面等離激元催化劑實現(xiàn)了可見光下水的完全分解反應，為設計優(yōu)化界面結構來實現(xiàn)高效表面等離激元催化劑水分解反應提供了新思路。
該工作得到了科技部973項目、國家自然科學基金, 中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)的資助。
