基于等离激元热电子调控的全谱光催化产氢增强

李燕瑞 郭宇 龙冉 刘东 赵大明 谭余波 高超 沈少华 熊宇杰

引用本文: 李燕瑞,  郭宇,  龙冉,  刘东,  赵大明,  谭余波,  高超,  沈少华,  熊宇杰. 基于等离激元热电子调控的全谱光催化产氢增强[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 453-462. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62938-3 shu
Citation:  Yanrui Li,  Yu Guo,  Ran Long,  Dong Liu,  Daming Zhao,  Yubo Tan,  Chao Gao,  Shaohua Shen,  Yujie Xiong. Steering plasmonic hot electrons to realize enhanced full-spectrum photocatalytic hydrogen evolution[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 453-462. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62938-3 shu

基于等离激元热电子调控的全谱光催化产氢增强

  • 基金项目:

    国家重点研发计划专项项目(2017YFA0207301);国家重点基础研究发展计划(973计划,批准号2014CB848900);国家自然科学基金(21471141,U1532135);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH018);中国科学院创新交叉团队,合肥物质科学技术中心方向项目(2016FXCX003);国家千人计划;中科院百人计划;安徽省自然科学基金(1708085QB26);中国博士后科学基金(BH2060000034);中央高校基本科研业务费专项资金(WK2060190064).

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.

English

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  • 收稿日期:  2017-09-26
  • 修回日期:  2017-10-21
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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