等离子体金属/半导体复合材料的光催化应用

advs当光线入射到金属纳米粒子时,如果入射光频率与金属纳米粒子振动频率相匹配时,纳米颗粒会吸收入射光能量,产生表面等离子体共振效应(surface plasmon resonances, SPR)。表面等离子体共振效应在过去的几十年间,是个显著且快速发展的研究领域,该效应被广泛用运用在太阳能转换、生物科技、探测器以及光学显微镜方面。在表面等离子体共振效应的过程中,金属纳米结构可作为转换入射光为局部电场和引导入射光致特定区域的作用。在这些金属材料中,金和银纳米结构扮演重要的角色,因为此两种材料可与可见光与红外光产生耦合作用,所以为该研究领域常见的材料。

近年,将表面等离子体共振效应应用在光催化 (photocatalysis) 及能源领域受到相当大的关注,美国乔治亚理工大学材料科学与工程学院林志群教授以及厦门大学化学化工学院林昌建教授团队在Wiley综合期刊Advance Science上发表综述性文章,对研究重要进展进行了总结及指出未来可能发展方向。文中首先指出透过结合金属纳米粒子及半导体材料可以有效提升光转换率,而其可能主要机制有二个。一是在金属及半导体接面所产生的肖特基结可以使激发的电子空穴对往相反的方向移动,因此降低电子空穴复合率。二是透过选择特定金属纳米粒子,可以有效与太阳光源中可见光及红外光作用,产生表面等离子体共振效应,并与合适能隙的半导体材料耦合,进一步引发局部强磁场 (enhanced local electric field)、热电子效应 (hot electron effect)、表面等离子体共振能量转移 (plasmon resonant energy transfer)、光学散射及热效应 (scattering and heating effect),可以有效提高光催化材料效率。其次,文中深入探讨金属纳米结构尺寸、形状、及周围介电环境等对光催化效率的影响。文末则提出未来此领域可以延伸至使用不同的金属形貌、合金金属以及多元的纳米异质结构进行系统性的研究与讨论。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI:10.1002/advs.201600024)。

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