专刊：光催化制太阳能燃料！

    为了有效的将太阳能转化为太阳能燃料，对高效光催化剂的开发以及对太阳能光催化分解水制氢、二氧化碳还原转化过程原理的理解，都有着极高的要求。为了达到这一目标，需要对合适带隙的半导体光催化剂、析氧催化剂、析氢催化剂、二氧化碳还原转化催化剂以及这些能量转化过程的机理进行广泛的研究。为了推动光催化制太阳能燃料的发展，中国科学院大连化学物理研究所韩洪宪研究员和中国科学院沈阳金属所刘岗研究员共同组织出版了“光催化制太阳能燃料”专刊。专刊共收集出版包括3篇综述，4篇通讯以及16篇研究论文在内的23篇文章。

希望该专刊能够有助于更高效光催化剂的开发，有助于中国太阳能燃料研究领域的发展，并能够吸引更多的学者关注和参与到光催化制太阳能燃料的研究中来，共同向这座“科学的圣杯”进发！

 

客座主编：韩洪宪研究员

中国科学院大连化学物理研究所

 

客座主编：刘岗研究员

中国科学院沈阳金属研究所

 

    鉴于篇幅原因，纳米人从本专刊中精选了部分文章介绍，如果需要获取专刊全部信息，可以到催化学报官网查看，或者登陆纳米人官网下载。（点击底部阅读原文进入催化学报官网）

 

综述: 高效光解水光电极设计的研究进展
Zhiliang Wang, Lianzhou Wang ^*

昆士兰大学化学工程学院与生物工程纳米技术澳大利亚研究所，纳米材料中心, 圣露西亚, 昆士兰4072, 澳大利亚

 

 

摘要: 光电化学(PEC)分解水过程被认为是由太阳能制氢的一个有前景的路径,PEC的关键在于高效电极的设计.最近的十多年里有关材料设计、共催化剂研究和电极制造取得了重大进展,但仍存在一些关键挑战尚未解决,包括迫切所需的转化效率.作为PEC过程的三个关键步骤:光采集、电荷转移和表面反应,发生在很广的时间尺度(10^–12–10⁰s)内,

如何组织好这一连串的步骤以促进各步骤间的无缝协作从而实现高效的PEC过程显得非常重要.基于高效稳定PEC光电极设计的研究进展,本文重点综述了整体考虑的三个主要标准,总结了一些基本原则和潜在的策略,尤其讨论了挑战与前景.

参考文献：Zhiliang Wang, Lianzhou Wang , Progress in designing effectivephotoelectrodes for solar water splitting, Chin. J. Catal., 2018,39: 369–378.

综述: 慢光子效应在太阳能转换燃料中的应用

郑秀珍^a,b,杨  洋^a,陈士夫^b,*,张立武^a,#

^a复旦大学大气污染防治重点实验室,环境科学与工程系,上海200433

^b淮北师范大学化学与材料科学学院,安徽淮北235000

摘要: 随着全球性能源短缺和环境恶化问题的日益突出,能源和环境问题已成为目前人类面临和亟待解决的重大难题,研究新的替代能源和清洁环境技术备受关注.世界各国的科研工作者都在积极探索和寻找有效的对策,其中通过光催化分解水和还原CO₂将太阳能转化为有价值的氢气和碳氢燃料可有效缓解人类对可再生能源和清洁能源的需求.然而,现有催化剂的转换效率还达不到商业化的要求,主要原因是太阳光的利用率低和光生电荷的复合率高.将催化剂构造成三维有序孔状的光子晶体结构,可有效提高催化剂对光的利用率.

光子晶体是一种特殊的周期性介电物质有序排列而成的微结构材料,它对光有着特殊的调控作用,可以通过光反射、光散射和慢光子效应来调控光在材料介质结构中的传播和光与介质的相互作用.三维反蛋白石结构的光子晶体不仅有光子晶体的特征还具有本身特有的结构效应,主要体现在以下两个方面:

(1)光子晶体结构:光子晶体具有内部相互连接的三维框架结构和相互连通的球形孔道,三维框架结构提供大的比表面积,而有序的球形孔道有利于反应物分子的动态扩散;

(2)光子晶体效应:当光波长落在光子禁带范围内,此波长的光将会被反射而不能在材料内传播;当光子晶体材料内有缺陷时可以发生多重散射,增加光的利用率;当光波长落在光子禁带红边的时候,这部分的光将会“慢下来”并且作用光子晶体的高介电物质部分;当光波长落在光子禁带蓝边的时候,这部分光也会“慢下来”并且作用于光子晶体的低介电物质部分.通过调控光子禁带的位置,可以得到不同波长的慢光子和调控作用于不同的材料物质上,增强入射光的利用率和光与材料的相互作用.

基于光子晶体半导体材料既有电子能带又有光子能带的特点,利用光的反射、散射和慢光子效应来调控光在光子晶体中的传播,能显著增强光与催化剂的相互作用.尤其是光子禁带附近产生的慢光子效应对光有着特殊的调控作用,可以减慢一些特定频率的入射光在催化剂中的传输,促进催化剂对光的吸收.

同时,慢光子效应还能促进光生电子-空穴对的分离,提高光解水产氢和光化学还原CO₂的活性.本文总结了光子晶体的慢光子效应促进光催化产H₂和CO₂还原的最新发展,并研究了慢光子效应在太阳能转换为燃料中的作用.基于慢光子效应对光的特殊调控作用,构造具有光子晶体结构的催化剂对促进太阳光的吸收和提高太阳能转换为燃料的效率具有重要的意义.

参考文献: Xiuzhen Zheng, Yang Yang, Shifu Chen, LiwuZhang, Slow photons for solar fuels, Chin. J. Catal., 2018,39: 379–389.

 

综述: 基于可再生能源的水电解制氢技术

迟  军^a,b, 俞红梅^a,*

^a中国科学院大连化学物理研究所燃料电池研究部, 辽宁大连116023

^b中国科学院大学, 北京100049

 

摘要: 在全球变暖,污染日益严重的今天,发展可再生清洁能源成为了当务之急.然而可再生能源(风能、太阳能)本身具有间断特性,这就需要寻找一种合适的能量媒介储存能量来保证其能源的稳定输出.

当前,我国各地不断出现弃风、弃光和弃水电事件,据国家能源局的公开数据,仅2016年,全国弃风电量497×10⁸ kW·h,弃光率仅西部地区就已达20%,弃风弃光日臻凸显.

从地域方面来看,我国光伏发电呈现东中西部共同发展格局,其中,西部地区主要发展集中式光伏发电,新疆、甘肃、青海、宁夏的累计装机容量均超过5×10⁶ kW·h,而中东部地区除集中式光伏发电外,还重点建设分布式光伏发电,江苏、浙江、山东、安徽的分布式光伏装机规模已超过100万千瓦.

我国光伏发电集中开发的西北地区也存在严重的弃光问题.根据中国光伏行业协会发布的报告,我国的弃光现象主要集中于西北的新疆、甘肃、青海、宁夏和陕西五省区.据统计,2016年,五省区光伏发电量287.17×10⁸ kW·h,弃光电量70.42×10⁸ kW·h,弃光率为19.81%,各省区光伏发电并网运行数据如表格所示.可以看出,新疆、甘肃光伏发电运行较为困难,弃光电量绝对值高,弃光率分别达到32.23%和30.45%.

在新能源体系中,氢能是一种理想的二次能源,与其它能源相比,氢热值高,其能量密度(140MJ/kg)是固体燃料(50MJ/kg)的两倍多.且燃烧产物为水,是最环保的能源,既能以气、液相的形式存储在高压罐中,也能以固相的形式储存在储氢材料中,如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等.对可再生和可持续能源系统,氢气是一种极好的能量存储介质.氢气作为能源载体的优势在于:

(1)氢和电能之间通过电解水技术可实现高效相互转换;

(2)压缩的氢气有很高的能量密度;

(3)氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力.

制氢的方式有很多,包括:化石燃料重整、分解、光解或水解等.全球每年总共需要约40亿吨氢气,95%以上的氢气是通过化石燃料重整来获得,生产过程必然排出CO₂,而电解水技术利用可再生能源获得的电能进行规模产氢,可实现CO₂的零排放,可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能,更利于储存与运输.所存储的氢气可用于燃料电池发电,或单独用作燃料气体,也可作为化工原料.通过水电解方式获得的氢气纯度较高,可达99.9%以上.
参考文献: Jun Chi, Hongmei Yu, Waterelectrolysis based on renewable energy for hydrogen production, Chin.J. Catal., 2018, 39: 390–394.

 

通讯: 两步水热法合成Sn₂Nb₂O₇纳米晶及其高效可见光分解水制氢性能

周  超^a, 施  润^a,b, 尚  露^a,  吴骊珠^a, 佟振合^a, 张铁锐^a,b,*

^a中国科学院理化技术研究所,中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190

^b中国科学院大学,北京100049

 

 

摘要: 铌基半导体光催化材料因其具有独特的晶体结构和能带结构在光催化分解水制氢领域受到科研工作者的高度关注.然而,大多数铌基半导体光催化剂仅能够在紫外光驱动下实现光催化分解水制氢,具有可见光响应的铌基半导体光催化剂不仅数量少而且活性较低,因此发展新型纳米铌基半导体光催化剂并实现其高效可见光催化分解水产氢具有重要的学术和实用意义.

具有烧绿石构型的Sn₂Nb₂O₇ 材料由于具有较窄的禁带宽度(2.4eV)和合适的导带和价带电势在可见光催化分解水制氢方面引起了科研人员广泛的兴趣.然而,目前报道的利用高温固相法制备的块体Sn₂Nb₂O₇材料由于颗粒尺寸较大和比表面积较小而导致光催化活性较差.因此,发展一种简便高效的制备方法实现纳米Sn₂Nb₂O₇材料的可控制备进而提高其可见光催化活性仍具有一定的挑战性.

我们发展了一种简便的两步水热合成方法实现了Sn₂Nb₂O₇纳米晶的可控制备.扫描电镜和透射电镜测试结果表明,通过两步水热法得到的Sn₂Nb₂O₇纳米颗粒具有较好分散度,其平均颗粒尺寸为20nm.X射线衍射测试结果也进一步证明,通过两步水热法可以实现 Sn₂Nb₂O₇ 纳米晶的可控制备.比表面积测试结果表明, Sn₂Nb₂O₇ 纳米晶的比表面积约为 52.2m²/g, 远远大于固相法制备的块体Sn₂Nb₂O₇ 材料(2.3m²/g).

大量研究表明,大的比表面积有利于半导体催化材料催化活性的提升.通过考查所制备的Sn₂Nb₂O₇纳米晶的可见光分解水制氢能力,对其催化性能进行了评价.研究结果表明,以乳酸为空穴消耗剂,负载0.3wt.% Pt纳米颗粒作为助催化剂的 Sn₂Nb₂O₇ 纳米晶表现出优异的可见光催化分解水产氢性能,其产氢速率是块体 Sn₂Nb₂O₇ 材料的5.5倍.

Sn₂Nb₂O₇纳米晶可见光催化分解水产氢性能提高的主要原因是其具有高分散度的纳米颗粒、较大的比表面积和更正的价带电势.

首先,颗粒尺寸的纳米化能够显著减小光生电子和空穴的迁移距离,实现光生载流子快速迁移到催化剂表面进而参与催化反应;

其次,大的比表面积能够提供更多的催化活性位点,进而有利于催化活性的提高;

最后,X射线光电子能谱测试表明, Sn₂Nb₂O₇ 纳米晶具有更正的价带电势,研究表明,价带电势越正,其光生空穴氧化能力越强.在光催化分解水制氢过程中,具有较强氧化能力的光生空穴通过与空穴牺牲剂乳酸快速反应而被消耗掉,抑制了光生电子与空穴的复合,进而导致其具有较高的光催化产氢活性. 

参考文献:Chao Zhou, Run Shi, Lu Shang, Li-Zhu Wu, Chen-Ho Tung, Tierui Zhang,Two-step hydrothermal synthesis of Sn₂Nb₂O₇nanocrystals with enhanced visible-light-driven H2 evolution activity, Chin. J. Catal., 2018, 39: 395–400.

 

基于镧和铬共掺杂钛酸锶产氢光催化剂构建Z机制全分解水体系

贾玉帅^a,b, 赵  丹^a, 李名润^a, 韩洪宪^a,*, 李  灿^a,#

^a中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连116023

^b江西师范大学化学化工学院, 江西南昌330022

 

摘要: 光催化剂的晶体结构、电子结构、表面结构等都会对自身性质产生决定性的作用,因此认识和理解光催化材料自身结构和光催化性能之间的内在联系有助于设计合成更高效的光催化剂以及光催化复合体系.

本文通过聚合络合法和溶胶凝胶水热法分别制备了镧和铬共掺杂的SrTiO₃光催化剂,标记为SrTiO₃(La,Cr)-PCM和SrTiO₃(La,Cr)-SHM.在碘化钠或甲醇作为牺牲试剂的产氢反应中,担载Pt的SrTiO₃(La,Cr)-SHM样品显示了光催化活性,而担载Pt的SrTiO₃(La,Cr)-PCM样品活性很低,甚至无活性.我们将这两种材料分别作为产氢光催化剂与三氧化钨耦合构建Z机制全分解水体系.

研究发现,只有Pt/SrTiO₃(La,Cr)-SHM | I^-/IO₃^-| PtO_x/WO₃体系观察到了氢气和氧气的产生.在第一个10 h的循环反应中,产生的H₂/O₂ 摩尔比为3.7,明显高于水分解H₂/O₂为2的化学计量比.这是因为在反应起始时加入的是NaI,质子还原产氢反应占据了主导.随着氢气的不断产生,部分I^-被氧化成了IO₃^-,而IO₃^-的存在就可以驱动氧气的产生,由于溶液中I^-/IO₃^-氧化还原电的共存就可以持续驱动氢气和氧气的同时生成.

为了测试体系的稳定性,我们将前面产生的气体完全抽空后又进行第二次10 h的循环反应,总共进行三次循环反应.在第一次循环过程中氢气、氧气生成速率分别为9.1和2.4 mmol h^–1,第二次循环其速率分别为9.9 和3.7 mmol h^–1,第三次循环速率分别达到10.4和4.9 mmol h^–1.此外,通过三次循环后H₂/O₂摩尔比为2.1 ,接近水分解的化学计量比.

结合紫外可见漫反射光谱和Mott-Schottky曲线可以确定两种样品的能带位置.从能带位置示意图可知,两种样品都具有足够负的导带电势还原质子产氢以及足够正的价带电势氧化水产氧.需要指出的是,SrTiO₃(La,Cr)-SHM样品的导带电势比SrTiO₃(La,Cr)-PCM样品的导带电势更负,这意味着前者的导带电势更有利于还原质子产氢.

霍尔效应测试的结果表明,两种样品均显示出n型半导体的特征,此外SrTiO₃(La,Cr)-SHM样品显示出比SrTiO₃(La,Cr)-PCM样品更快的载流子迁移率以及更高的载流子浓度.因此,两种样品不同的导带位置以及不同的载流子迁移率和载流子浓度很可能是造成两者光催化性能具有显著差异的主要原因.

参考文献:Yushuai Jia, Dan Zhao, Mingrun Li, Hongxian Han, Can Li, La and Cr Co-dopedSrTiO₃ as an H₂ evolution photocatalyst for constructionof a Z-scheme overall water splitting system, Chin.J. Catal., 2018, 39: 421–430.

TiB₂/均相硼掺杂TiO₂核/壳结构提升光催化氧化水产氧活性

杨勇强^a, 康宇阳^a,b, 刘  岗^a,b,*, 成会明^a,c,d

^a中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心, 辽宁沈阳110016

^b中国科学技术大学材料科学学院, 辽宁沈阳110016

^c清华大学清华-伯克利深圳研究院, 广东深圳518055

^d阿卜杜拉国王科技大学卓越环境研究中心, 吉达21589, 沙特阿拉伯

 

摘要: 光催化可实现污染物降解、分解水制氢和CO₂还原等多种氧化还原反应,因而受到了广泛关注.光催化材料中光生电荷的数目与氧化还原能力直接影响光催化反应效率,在许多光催化反应中,光生空穴氧化反应被认为速控步骤.以光催化分解水为例,质子的还原是单电子过程,水氧化产生氧气则涉及四个电子.空穴的高能量不仅可赋予其高的氧化能力,还能提高其迁出表面的能力,因此具有重要研究价值.

我们组的前期工作表明,以TiB₂作为前驱体,采用水热合成和焙烧两步法可制备出间隙硼掺杂的金红石相或锐钛矿相TiO₂,间隙硼掺杂可显著降低价带顶,提升光催化氧化水产氧性能.然而,在已有的结果中,间隙硼掺杂浓度在TiO₂中均呈现从内向外逐渐增加的梯度分布,这意味着硼掺杂浓度有限,且表层更低的价带顶不利于体相光生空穴向表面迁移,因此亟需实现TiO₂中均相的间隙硼掺杂.

本文以湿化的氩气为水解环境,将水解过程限域在TiB₂的表面以减少硼原子流失;同时提高水解温度,使残留的硼原子形成间隙掺杂,避免其在二次焙烧时扩散,从而在TiB₂核的表面所形成的TiO₂壳层中实现均相间隙硼掺杂,显著提高了光催化氧化水产氧活性.

多种表征结果表明,直径约为6–10 μm的TiB₂核表面形成了厚约400 nm的TiO₂壳层,在TiO₂/TiB₂中TiO₂壳层重量比约为30%,TiO₂壳层中锐钛矿相TiO₂占比为65 wt%,金红石相TiO₂占比为35 wt%.TiO₂壳层中间隙硼为均相分布,硼掺杂显著降低了价带顶位置,提高了光生空穴的氧化能力,从而使得TiB₂/TiO₂展现出比未掺杂的金红石、锐钛矿相及两者混合相的TiO₂均具有更高的光催化氧化水产氧的能力.

参考文献:Yongqiang Yang, Yuyang Kang, Gang Liu, Hui-Ming Cheng, Homogeneous boron dopingin a TiO₂ shell supported on a TiB₂ core for enhancedphotocatalytic water oxidation, Chin. J. Catal., 2018,39: 431–437.

 

电化学制备异质二氧化钛结构增强其在光电分解水中转化效率

方元行, 马一文, 王心晨^*

福州大学化学学院能源与环境光催化国家重点实验室, 福建福州350002

 

摘要: 本文描述了一种利用电化学方法合成第二型异质二氧化钛纳米棒结构的方法,这种纳米棒由部分还原的黑色二氧化钛和原始的白色二氧化钛组成.这种异质结结构的半还原的二氧化钛纳米棒与原始的白色二氧化钛和完全还原的黑色二氧化钛纳米棒相比,展现出更好的光电催化性能.

这可归结于这种条件下合成的纳米棒具备的协同作用.一方面,这类结构增强了整个太阳光光谱的利用率.底层的黑色二氧化钛能够大量吸收可见光,而上层的白色二氧化钛能够较好的利用太阳光中紫外光的部分.另一方面,因为形成了第二型异质结结构,电荷的激发分离和传输得到了有效的控制.这种简单的制备方法可进一步拓展合成其他金属氧化物,来进一步研究光电分解水的性能.

本文利用传统的三电极系统: 0.05 mol/L的硫酸作为电解液,在加–0.5 V的偏压下进行.相比与已报道的还原手段,该电解液中质子的浓度相对比较低,可以保证这个还原过程逐步发生.

电化学还原曲线可以明显反映二氧化钛还原的过程,尽管从扫描电子显微镜中很难观察到响应的区别,但是在该过程中,电极片的颜色发生了明显的变化.相应的,我们将这个系列的电极进行了光学和晶体学的研究,发现其在还原过程中,能带能够逐步减小.而在X射线衍测试当中,仅最终完全还原的得到的样品在20度左右出现两个额外的峰,可归结为还原状态的二氧化钛.电化学扫描进一步测试其能带的相应位置,证明了黑色被还原的二氧化钛和白色的原始二氧化钛是同时存在的.

最后将这个系列光电极光电催化分解水的性能进行了比较,发现在同等的测试条件下,形成异质结结构的二氧化钛具有最高的光催化效率,其值大约是白色二氧化钛的三倍,同时也比纯黑的二氧化钛增长了20%左右.另外,异质结结构的二氧化钛与黑色的相比,在可见光区域有相同的效率的同时具备更好的紫外光转化效率.最后,我们分析了异质结形成以后的相对应的能带结构,该结构能够更好的促进光吸收和转化.

参考文献: YuanxingFang, Yiwen Ma, Xinchen Wang, Efficient development of Type-II TiO₂ heterojunction using electrochemicalapproach for an enhanced photoelectrochemical water splitting performance, Chin. J. Catal., 2018, 39: 438–445.

 

基于Ru-bda双核钌催化剂的可见光驱动水氧化

李  斐^a,*,徐从英^a,王晓红^a,王  勇^a,杜  健^a,孙立成^a,b

^a大连理工大学精细化工国家重点实验室,辽宁大连116024

^b瑞典皇家工学院化学系,斯德哥尔摩10044,瑞典

 

摘要: 开发高效水氧化催化剂对于太阳能分解水制氢和CO₂还原都具有重要意义.我们之前的研究表明,基于Ru-bda(bda= 2,2'-联吡啶-6,6'-二羧酸)单体的双核钌催化剂在以(NH₄)₂Ce(NO₃)₆为氧化剂的化学法水氧化反应中表现出良好的催化性能,比相同条件下单核钌催化剂的活性高出一个数量级.

然而,该类双核钌催化剂的光催化水氧化性能尚未被系统研究.因此我们考察了以丙烷桥双核钌配合物为催化剂、[Ru(bpy)₃]Cl₂为光敏剂、Na₂S₂O₈为电子牺牲体组成的三组分体系的光催化性能,并和相应的单核钌催化剂进行了对比,同时考察了溶液中乙腈的含量对单、双核钌分子催化剂光催化产氧性能和产氧机理的影响.

实验结果表明,无论是单核还是双核钌催化剂,其催化活性与乙腈在磷酸缓冲溶液中的比例密切相关.乙腈的含量不仅影响了水氧化的驱动力,而且影响O-O的形成机理,改变反应的动力学和反应速率.

单、双核钌催化剂的活性都随着乙腈比例的增加而增加,然而双核钌催化剂在低乙腈含量的缓冲溶液中展现优于单核钌催化剂的光催化性能;而在高乙腈含量的缓冲溶液中,双核钌催化剂和单核钌催化剂的光催化性能趋于相当.在最优化条件(60%乙腈)下,双核钌的光催化产氧TON值达到638,在450nm的光量子效率达到77%.

我们还发现,当乙腈浓度较低时,单核钌催化剂Ru-bda催化的水氧化反应为二级动力学;当乙腈浓度较高时,该催化剂在反应中表现为一级动力学.从而推测O-O键的形成机制由双分子自由基耦合转变成单分子亲核进攻,也解释了为什么高乙腈含量下单核和双核钌催化剂的活性差别不大.本研究所展示的Ru-bda的溶剂效应可能同样适用于电化学和光电化学水氧化,对深入理解和设计高效太阳能分解水器件具有重要意义.

参考文献:Fei Li, Congying Xu, Xiaohong Wang, Yong Wang, Jian Du, Licheng Sun, Visiblelight-driven oxygen evolution using a binuclear Ru-bda catalyst, Chin. J. Catal., 2018, 39: 446–452.

 

基于等离激元热电子调控的全谱光催化产氢增强

李燕瑞^a, 郭  宇^b, 龙  冉^b, 刘  东^b, 赵大明^a, 谭余波^a, 高  超^b,$, 沈少华^a,#,熊宇杰^b,*

^a西安交通大学, 动力工程多相流国家重点实验室，国际可再生能源研究中心, 陕西西安710049

^b中国科学技术大学, 化学与材料科学学院, 能源材料化学协同创新中心, 合肥微尺度物质科学国家实验室, 安徽合肥230026

 

摘要: 等离激元效应在光催化体系中的集成为实现广谱光吸收提供了一个新的途径,然而等离激元热电子的较低迁移率和不确定扩散方向使得其光催化效率仍较低.等离激元金属与n型半导体接触后,其界面间会形成肖特基结.在特定波长太阳光照射下,等离激元金属将其表面等离子体能量聚集在表面自由电子上,进而产生热电子.当这些热电子具有的能量高于肖特基势垒时,热电子便可注入到半导体导带上.

与此同时,半导体上的电子可以通过肖特基接触发生回流,与金属上的空穴复合,进而降低半导体-等离激元金属复合材料的光催化性能.因此,为了提高光催化效率,如何调控等离激元热电子迁移和充分利用等离激元效应是一个重要挑战.

本文尝试将“表面异质结”与肖特基结相结合的复合结构,得以有效地调控等离激元热电子的迁移.在该复合结构中,金纳米颗粒和铂纳米颗粒分别作为等离激元吸光单元和助催化剂,集成在TiO₂纳米片表面.其中“表面异质结”是由TiO₂纳米片的两种不同表面晶面所构成,

我们选择由{001}和{101}两组晶面组成的TiO₂纳米片作为半导体衬底.该结构中的{001}晶面导带能级高于{101}导带能级,因而电子由高能级的{001}流向低能级的{101}晶面,可以用来引导等离激元热电子从可见光响应的金纳米颗粒向TiO₂进行高效转移.通过巯基丙酸的桥联作用,将等离激元Au纳米颗粒锚定在TiO₂纳米片的{001}晶面上,获得Au-TiO₂{001}样品.另一方面,利用TiO₂纳米片自身光生电荷导向性光沉积,得到与{101}晶面结合形成的Au-TiO₂{101}样品.

我们对两组样品进行光电流和光催化产氢实验对比,确认在“表面异质结”诱导下Au-TiO₂{001}样品中Au产生的光生热电子可以更好地注入到TiO₂纳米片导带上.我们进一步通过光沉积Pt纳米颗粒来判定光生电子所能到达的区域,验证了以上结论.

与此同时,肖特基结由铂纳米颗粒与TiO₂纳米片所形成,可以促使电子由TiO₂向铂纳米颗粒进行转移,而避免发生向金纳米颗粒的反向迁移,从而在Au-TiO₂体系中实现高效的单向载流子转移.基于该设计,等离激元光催化剂实现了明显改善的全谱光催化产氢性能.本文为全谱光催化的复合结构理性设计提供了一个新的思路.

参考文献: Yanrui Li, Yu Guo, Ran Long, DongLiu, Daming Zhao, Yubo Tan, Chao Gao *, Shaohua Shen, YujieXiong, Steering plasmonic hot electrons to realize enhanced full-spectrumphotocatalytic hydrogen evolution, Chin.J. Catal., 2018, 39: 453–462.

 

Chinese Journal of Catalysis（CJCatal,《催化学报》）于1980年创刊，现为英文刊（为兼顾国内读者阅读习惯，同时刊登扩展版中文摘要），由中国化学会和中国科学院大连化学物理研究所共同主办，Elsevier出版社出版，是我国催化领域唯一SCI收录的专业期刊。主要报道能源、环境、新材料、多相催化、均相催化、光催化、电催化和表面化学等学科方向基础性及应用基础性的最新研究成果，年发文量约240–300篇。

2014年编委会改组，办刊模式与国际接轨，由国际催化领域著名专家李灿院士和张涛院士担任主编，聘请原国际催化杂志Journal of Catalysis主编Roel Prins教授等6位催化领域科学家担任副主编，并由主编、副主编负责稿件的初审、外审及终审等质量把关，所有编委积极参与到办刊工作中来。期刊注重为作者提供快速审稿及发表服务，为争得论文首发权的工作提供快速处理绿色通道，从投稿到在线发表仅需7–10天，不收取版面费等任何费用。

2017年公布的最新SCI影响因子为2.813，2018年的即时影响因子为3.44，预计至今年6月份正式公布时IF可达到3.5左右；是同类期刊中影响因子增长最快的刊物之一。CJCatal连续5年被中国学术文献国际评价研究中心评为“中国最具国际影响力学术期刊”,在中科院JCR期刊分区中居工程技术大类2区。获得2016–2018年中国科技期刊国际影响力提升计划二期项目资助，先后荣获第三届国家期刊奖提名奖和中国最具国际影响力学术期刊等奖项。