CdS核—金等離子體衛(wèi)星納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光催化析氫反應(yīng)

通過使用半導(dǎo)體材料光催化將水分解產(chǎn)生氫氣是將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔化學(xué)能的有前景的方法，并且已經(jīng)引起了相當(dāng)大的關(guān)注。然而，大多數(shù)半導(dǎo)體光催化劑由于其窄的光譜響應(yīng)間隔和高的載流子復(fù)合速率而表現(xiàn)出低的光催化活性。目前已經(jīng)開發(fā)了許多策略來處理這些問題，例如能帶工程，形態(tài)剪裁，用金屬或非金屬助催化劑加載以及設(shè)計新型反應(yīng)體系。目前獲得的純水光催化制氫的最高能量轉(zhuǎn)換效率僅為1％。然而，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)化的最低要求。 因此，尋求新的有效策略來進(jìn)一步提高半導(dǎo)體基催化劑的光催化效率正變得越來越迫切。

【成果簡介】

近日，廈門大學(xué)的李劍鋒教授（通訊作者）團(tuán)隊開發(fā)了一種高活性的CdS核心－金等離子體衛(wèi)星納米結(jié)構(gòu)復(fù)合催化劑，可有效促進(jìn)可見光下水分還原產(chǎn)氫。與純CdS相比，由于Au衛(wèi)星的表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)，這種催化劑表現(xiàn)出高400倍以上的光催化活性。此外，它們的活性強(qiáng)烈依賴于納米顆粒的粒徑，并且在可見光照射下使用CdS－16nm Au獲得了非常高的光催化氫產(chǎn)量6385μmolg－1h－1。通過調(diào)整催化劑的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件，對CdS核－金等離子體衛(wèi)星催化劑的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了全面的研究。 結(jié)合近場增強(qiáng)和“熱”電子轉(zhuǎn)移的協(xié)同效應(yīng)已被揭示，并且導(dǎo)致了巨大的增強(qiáng)。相關(guān)研究成果“CdS core－Au plasmonic satellites nanostructure enhanced photocatalytic hydrogen evolution reaction”為題發(fā)表在Nano Energy上。

圖一 CdS－Au納米結(jié)構(gòu)的裝配示意圖及物理表征

（a）CdS核－金等離子體衛(wèi)星納米結(jié)構(gòu)的裝配過程

（b）CdS－16nm Au復(fù)合催化劑的SEM圖像

（c）CdS－16nm金復(fù)合催化劑的HRTEM圖像

（d）CdS－16nm Au復(fù)合催化劑的EDS元素映射

圖二 CdS－ Au復(fù)合材料的光學(xué)性能表征

（a）CdS的量子效率（黑色）和UV－Vis DRS光譜（藍(lán)色）

（b）CdS－16nm Au的16nm Au納米顆粒的紫外－可見吸收光譜（黃色），量子效率（黑色）和UV－Vis DRS光譜（紅色）

（c）CdS－16nm Au的時域有限差分（FDTD）模擬模型

（d）CdS－16nm Au納米結(jié)構(gòu)表面上的電磁場分布

圖三 反應(yīng)機(jī)理圖

（a，b）使用（a）裸Au納米粒子和（b）二氧化硅分離Au納米粒子的“熱”電子誘導(dǎo)的pNTP與DMAB的反應(yīng)的示意圖

（c）使用55nm Au和55nm Au ＠ SiO2在638nm激光照射下pNTP的SERS光譜。

（d）不同催化劑在不同個體波長下的氫氣產(chǎn)生速率

圖四 產(chǎn)氫性能對比

（a）CdS和復(fù)合催化劑在不同波長下的氫產(chǎn)率。

（b）不同粒徑的Au納米粒子的紫外－可見吸收光譜。