近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室院士李燦、研究員范峰滔團(tuán)隊在表面等離激元光催化界面電荷分離研究方面取得新進(jìn)展，揭示了催化位點的電荷濃度與偏振角度的定量關(guān)系。
金屬納米顆粒表面等離激元具有獨特的光學(xué)性質(zhì)，比如特定波段光吸收、光場局域效應(yīng)等，在分析科學(xué)、納米材料、光電子學(xué)特別是太陽燃料合成領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注。然而，等離激元載流子的壽命一般較短，很難與較慢的化學(xué)反應(yīng)時間尺度相匹配。如何在界面上有效地分離等離激元電荷并轉(zhuǎn)移到反應(yīng)位點成為這一領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。
大連化物所發(fā)現(xiàn)等離激元光催化劑電荷分離的偏振效應(yīng)
該團(tuán)隊在近期的工作中利用自主研發(fā)的空間分辨的表面光電壓顯微鏡直接給出了可視化圖像：發(fā)現(xiàn)了表面等離激元空穴局域在Au/TiO2界面（J. Am. Chem. Soc., 2017）上。近日，該團(tuán)隊在金納米顆粒二聚體中，又發(fā)現(xiàn)了耦合效應(yīng)介導(dǎo)的等離激元電荷在納腔的聚集現(xiàn)象，顯著促進(jìn)多質(zhì)子參與的水氧化反應(yīng)活性（Natl. Sci. Rev., 2020）。在本工作中，研究團(tuán)隊基于空間分辨的表面光電壓顯微鏡，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了表面等離激元光催化劑電荷分離的偏振效應(yīng)。通過改變?nèi)肷涔馄窠嵌?，該團(tuán)隊系統(tǒng)地研究了催化位點局域的電荷濃度，得到最優(yōu)的電荷分離偏振角度：當(dāng)入射光的偏振角度垂直于光催化劑Au顆粒/TiO2界面時，表面光電壓信號最大，電荷界面注入效率最高；結(jié)合角度分辨的散射光譜和理論模擬，初步探討了電荷濃度偏振依賴性的內(nèi)在原因；最后，利用水氧化催化反應(yīng)作為探針反應(yīng)確認(rèn)了偏振效應(yīng)對催化活性的影響。該工作為等離激元光催化劑界面電荷分離的調(diào)控提供了全新的方法，也為等離激元性質(zhì)的理解和開發(fā)提供了思考和認(rèn)識。
李燦團(tuán)隊長期致力于太陽能光催化、光電催化、電催化以及催化光譜表征的前沿科學(xué)研究，取得了系列成果，特別在光生電荷分離等關(guān)鍵科學(xué)問題上發(fā)現(xiàn)：異相結(jié)電荷分離機(jī)制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008；Angew. Chem. Int. Ed., 2012）；晶面間光生電荷分離效應(yīng)（Nature Commun., 2013）；高對稱性半導(dǎo)體單晶的光生電荷分離策略（Energy Environ. Sci., 2016）；并自主研制了光生電荷成像表征新技術(shù)，在國際上最早將其應(yīng)用到微納尺度光催化材料電荷分離的成像研究（Angew. Chem. Int. Ed., 2015；Nature Energy, 2018）。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被選為熱點文章（hot paper）。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”，以及中科院重大研究項目等資助。
