通讯作者：杨汶醒；Tianquan Lian 通讯单位：埃默里大学；西湖大学 将金属催化剂的尺寸减小到纳米团簇甚至单个原子是开发更高效、更经济的光催化系统的一个新兴方向。由于催化剂的粒径不仅影响催化剂的活性，而且影响光驱动电荷分离效率，因此其对整体光催化效率的影响尚不清楚。 埃默里大学Tianquan Lian教授和西湖大学杨汶醒合作利用明确的半导体-金属异质结构和选择性生长在CdS纳米棒(NRs)顶端的Pt纳米颗粒催化剂，研究了Pt催化剂尺寸对光催化转化H2量子效率(QEH2)的影响。
图1. CdS和CdS-Pt NRs的TEM图像和吸收光谱。 相关工作以“Pt Particle Size Affects Both the Charge Separation and Water Reduction Efficiencies of CdS-Pt Nanorod Photocatalysts for Light Driven H2 Generation”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。
图2.基于CdS-Pt NRs的光驱动产H2。 要点1. 首先测量了在稳态光照射下，整体光对H2的转换效率作为Pt颗粒大小的函数。随着Pt催化剂粒径从0.7±0.3 nm增加到3.0±0.8 nm, CdS-Pt的QEH2从0.5±0.2%增加到38.3±5.1%，增加了近2个数量级。 要点2. 为了深入了解效率限制的关键步骤，瞬态吸收光谱测量结果表明，从CdS NR到Pt尖端的电子转移速率随Pt直径的增大而增大，标度规律为d5.6, Pt尺寸越大，电子转移效率越高。 要点3. 观察到的趋势可以通过一个简化的动力学模型来理解，该模型假设总效率是电荷分离(包括空穴转移、电子转移和空穴清除)和水还原步骤的量子效率的产物，而对于CdS-Pt NRs，电子转移和水还原步骤的量子效率随Pt尺寸的增大而增大。 研究结果表明，在设计高效的半导体-金属杂化光催化剂时，提高电荷分离和催化的量子效率是非常重要的，特别是在小金属颗粒的情况下。
图3. CdS和CdS-Pt NRs的瞬态吸收光谱及动力学。
图4.(A) L-CdS-Pt纳米棒轻驱动H2生成的关键能级和基本过程;(B) L-CdS-Pt纳米棒轻驱动H2生成的关键中间态和过程的简化动力学模型。
图5. (A)在405 nm连续LED照明和不照明条件下，CdS和CdS−Pt样品的TA光谱测量的电子转移动力学(XB恢复动力学)的比较。(B)通过测量样品在LED照明下和不照明下激子漂白恢复动力学计算出的电子转移量子效率的比较。 链接： https:///10.1021/jacs.1c11745 |
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