催化水氧化析氧是人工光合成的瓶颈反应(组图)

‍‍‍‍

太阳能作为一种清洁、绿色和可持续的能源受到了全世界的关注。利用太阳能催化水分解制氢是有效的方法之一。了解光催化过程的物理化学和微观机理，探索高效的光催化剂是目前学术界的研究重点。理想的光催化剂应同时满足广谱光吸收特性、高效的光生电荷传输分离和快速的表面催化反应过程。

表面等离子共振（SPR）效应由于其独特的光与物质相互作用，有望提高光催化的能量转换效率，近年来备受关注。 SPR效应是由于金属（Au、Ag、Cu、Al等）表面的价电子在一定外场（如光）作用下的集体振荡效应。具有SPR效应的金属纳米粒子可以通过控制金属粒子的尺寸、组成、形貌等因素来可控地调节可见-近红外区域的光吸收特性，有望扩大其光捕获范围。在SPR过程中，金属纳米结构表面可以产生强电磁场和高浓度的高能光生电荷（电子-空穴对）参与表面催化反应。因此，利用等离子体共振产生的光生电荷进行光催化水分解的研究受到了学术界的广泛关注。然而，由于 SPR 产生的光生电荷的寿命极短（飞秒级），它们的分离效率极低。因此，目前表面等离子光催化的反应效率仍然很低，太阳能光催化水分解制氢的研究大多只关注牺牲剂存在下的析氢半反应。完全水分解的报道更少。光催化水氧化析氧是人工光合作用的瓶颈反应。了解表面等离子体光催化的析氧机理对于了解整个光催化水分解反应的机理至关重要。水分解析氧反应的核心问题是如何分离光生电子和空穴，分离出来的空穴在哪里以及如何参与反应，目前还不清楚。

中科院大连化学物理研究所李灿院士团队长期致力于光催化和光电催化体系中最关键的电荷分离过程研究，先后开发了异质结和面间电荷分离策略。进一步挑战对 SPR 过程中电荷产生分离机制的理解，以开发一种高效的表面等离子体光催化水分解系统。最近，该团队在表面等离子体光催化水分解方面取得了重要进展。他们在国际上首次确定了表面等离子光催化中析氧反应的活性位点，实现了水的完全合成。分解反应。在这项工作中，他们以Au/TiO2作为表面等离子体光催化的模型催化剂，直接利用水氧化的光催化反应生成氧气作为探针反应，系统地研究了表面等离子体光催化剂Au/TiO2的光生电荷分离和空穴参与水的氧化反应机理。首先，研究人员发现Au/TiO2的光催化水氧化活性不仅与SPR诱导的光生空穴有关，而且与TiO2的相结构也有很大关系。然后，通过选择性光沉积实验，他们使用元素成像和高分辨率电子显微镜来清楚地识别氧化和还原反应的活性位点。通过进一步的光沉积毒化活性位点，他们证实 SPR 诱导的析氧反应位点主要分布在 Au-TiO2 界面。为了更直观地观察光生电荷的分布，研究团队通过自主研发的开尔文探针原子力显微镜-表面光电压谱（KPFM-SPV）实现了对Au-TiO2单粒子上光生电荷的成像。发现SPR产生的光生空穴主要分布在界面处光催化 二氧化钛，而电子迁移到TiO2表面。这一结果与光沉积元素的高分辨率电子显微镜成像完全一致，进一步证实了水氧化反应发生在 TiO2 和 Au 纳米粒子的界面处。结论。最后，研究人员对界面处的水氧化反应进行了理论计算，结果表明，Au-O-Ti作为水氧化反应位点的界面结构可以显着降低水氧化的活化能。基于这一发现，团队利用表面等离子光催化剂实现了水氧化反应与已知水还原光催化剂的耦合，并成功构建了人工光合作用系统（Z-scheme system），在存在氧化还原对和充分分解的情况下可见光下的水是在固态条件下实现的。

该工作解决了等离子体光催化剂中空穴分布和水氧化反应位点长期存在的问题，为开发高效的等离子体光催化剂奠定了基础。

相关研究成果以全文形式发表在Journal of the American Chemical Society和Journal of Catalysis上。论文第一作者为博士生王盛阳。该工作得到了国家自然科学基金BOX项目、科技部973项目、中科院战略性先导科技项目、中科院化学协同创新中心的资助。教育部能源材料（iChEM）。

论文作者为：王盛阳、高玉英、淼淼、刘泰峰、穆林超、李仁贵、范韬涛、李灿

原文（扫描或长按二维码识别后直接进入原文页面）：

定位等离子光催化剂中的水氧化反应位点

J。是。化学。社会科学，2017光催化 二氧化钛，DOI：10.1021/jacs.7b04470

导师介绍

李灿

研究小组的链接

最近添加的期刊

本文版权归X-MOL()所有，未经许可请勿转载！欢迎读者朋友在朋友圈或微博上分享！