新方法设计出可高效制氢的光催化剂

  ICC讯 氢能作为一种完全清洁的可再生能源，它的制备对于解决环境污染与能源短缺问题具有重要意义，当前光催化水分解制氢是生产氢气的一种重要途径。近日，南京工业大学吕刚教授课题组与电子科技大学、德国达姆施塔特工业大学合作，设计出一种新型等离激元复合材料作为高效且稳定的析氢光催化剂，该方法还有望应用于固氮等领域。相关成果日前发表在《自然·通讯》上。

  据悉，金属卟啉类催化剂由于具有独特的结构、优异的光电性能等优势被应用于析氢反应，但是其光吸收能力和光稳定性均较差。而金属纳米颗粒如金、银和铜等，在可见光或近红外光谱区，可显示出局域表面等离激元共振效应，即金属表面自由电子发生集体振荡的现象，具有卓越的光学特性。

  在光照作用下，等离子体纳米结构附近会产生局部电磁场、局部加热以及热电子的激发，可以有效促进附近分子的化学反应活性。然而，等离激元产生的热电子难以在单组分纳米结构中有效分离，这限制了它们在化学反应中的应用。为了解决这个问题，科学家们正在开发等离激元复合材料，将这类材料作为等离激元介导的光催化剂。

  “基于局域表面等离激元效应，处于等离激元纳米结构周围的这些分子催化剂，催化活性可以显著提高。”吕刚介绍，课题组通过将外端带有4个吡啶基的钴卟啉分子与金纳米颗粒进行复合，利用金颗粒的等离激元效应激发钴卟啉分子催化剂的活性，从而提升催化反应的效率，成功地开发出一种高效且稳定的析氢光催化剂。

  “实验结果和理论计算都表明，等离激元金纳米颗粒在金颗粒—钴卟啉界面处产生热电子的寿命得到延长，并且可以将热电子转移至钴卟啉分子的最低未占据轨道上，有利于促进析氢反应的进行。”吕刚表示。

  论文第一作者、南京工业大学硕士生盛回香说，该方法具有制备过程简单，为高效杂化纳米催化剂的设计和制备提供了一种全新方法，还可以扩展到其他光催化体系，如固氮等领域。