【新能源●光解水制氢】可见光下表面等离子激元分解水制氢

2017-08-28 人大人科创 Paul 转载整理大连化学物理研究所

近日，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李灿团队在表面等离激元光催化水分解的机理研究方面取得新进展，确认金属-半导体界面可同时作为热空穴的捕获位点和水氧化的反应中心，并实现了可见光下水的完全分解。相关研究成果发表在《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04470）。

文章链接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b04470?journalCode=jacsat

通过太阳光驱动水分解的“人工光合作用”是实现太阳能转化生产清洁可再生氢能的理想方法，同时也是解决未来能源与环境危机的理想途径之一。然而，目前大多数光催化剂在不使用牺牲剂的条件下很难实现太阳光驱动水分解，其效率也远远达不到实际应用的需求。光解水过程包含着复杂的多电子、多步骤反应，对催化剂材料的要求非常高，不仅要有合适的能级结构来吸收足够的可见光，更关键的是要有效地分离和传输光生电子和空穴，同时还具备高效稳定的产氢和产氧活性位点。

表面等离激元光催化剂由于其具有拓展可见光吸收的潜力进而提高太阳能制氢转化效率，近年来受到学术界越来越多的重视。在太阳能分解水制氢过程中，水的氧化反应是瓶颈反应。因此，研究光催化的水氧化过程一直是重点和难点。然而到目前为止，学术界对于表面等离激元产生的热空穴用于氧化水的机理和反应中心并不清楚。

大连化物所实现表面等离激元光催化的可见光下水的完全分解反应

在本工作中，研究人员制备了纳米Au/TiO2表面等离激元催化剂，发现其水氧化反应受到二氧化钛表面结构的极大影响；通过表面光电压谱（SPV）在单个粒子上的成像表征，发现表面等离激元诱导产生的热空穴主要分布在Au-TiO2的界面附近。进一步通过选择性光沉积实验并结合高分辨元素成像表征，清楚地表明Au-TiO2的界面是光催化氧化水反应的活性中心；理论计算结果也表明，Au/TiO2催化剂界面处的独特的Au-O-Ti结构能够有效降低反应的活化能，是水氧化反应的活性中心。

基于此进展，研究人员利用表面等离子激元催化剂构筑了Z-scheme体系，实现了可见光下水的完全分解反应。更重要的是，该研究团队最近构筑的全固态的Z-scheme人工光合体系同样也实现了可见光下水的完全分解（J. Catal.）。

该工作解决了长期以来表面等离激元光催化剂水氧化活性位点的疑难问题，并基于表面等离激元催化剂实现了可见光下水的完全分解反应，为设计优化界面结构来实现高效表面等离激元催化剂水分解反应提供了新思路。

该工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项和教育部能源材料化学协同创新中心(iChEM)的资助。

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