雁过留影——基于SERS原位监控催化反应的热电子归趋追踪方法

除了极少数自发反应外,大多数化学反应都需要引入催化中心(过渡金属纳米结构如Pd,Pt纳米颗粒等)并输入能量(加热,超声或者高压)以协助底物越过反应能垒。这一传统催化方式需要消耗大量能量,同时极端反应条件还可能带来产物选择性差、活性中心寿命短等问题。近年发展的共振催化(plasmonic catalysis)为解决上述问题带来了新的契机。该过程借助贵金属SPR特性,利用贵金属纳米结构吸收光子后产生光热效应和HEs加快反应物的转化过程,尤其是HEs可以选择性进入关键反应物,如H2、O2的反键轨道,从而加速其活化过程。因此,共振催化作为利用光能促进反应的新方式,具有高能量利用效率和反应条件温等优势,并可延长催化剂寿命和提高反应的选择性。同时,该过程有望直接利用太阳光,并将捕获的太阳能转化为化学能加以储存,因而可以作为光合作用的补充提高太阳能的捕获效率,有助于解决能源短缺的问题。但有两个关键问题需要研究:1) HEs归趋的追踪及其关键影响因素;2) 除了利用Au 纳米结构吸收光,低成本的Ag甚至Cu是否可以用于共振催化剂?

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中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘景富课题组最近的研究工作为回答上述问题作有益的尝试。该课题组刘睿博士等人基于SERS与SPR生成HEs的同源性,并利用SERS技术在反应动力学定量研究和关键过程定性识别中的独特优势,发展了基于SERS原位监控对硝基硫酚(p-NTP,原位SERS监控催化反应的典型模型反应)还原反应记录/追踪HEs归趋的新方法,并揭示了影响其归趋的关键因素。他们首先制备了在毫米尺度上具有高度均一性的SERS-催化双活性(不同区域SERS活性和催化活性相对标准偏差RSD均低于10%)的Au @ Pd纳米线薄膜。利用该结构作为平台,通过研究不同功率激光(SERS激发光源)下反应的动力学特征,发现光显著影响p-NTP还原过程:在作为SERS基底的同时,Au纳米线在光照下高效地生成HEs并伴随着光热效应,分别影响该反应的诱导期(光热)和反应期(HEs);更为重要的是该反应的速率与激光功率(HEs的量)呈正向关联,首次表明该反应可被HEs加速。利用这一现象,他们提出了p-NTP的催化还原反应可用于研究HEs归趋,并据此研究了Ag @ Pd结构中Ag纳米结构生成的HEs的利用效率。令人意外的是,尽管HEs高效促进Au@Pd催化的p-NTP 还原反应(20倍以上),Ag @ Pd催化的该反应几乎不受HEs影响。进一步的研究表明,大量HEs参与了表面含氧/含氢物质的活化,只有大幅提高Pd的覆盖率以消除表面Ag 针孔后才会阻断O/H+对HEs的浪费并观察到明显的光促进反应现象,表明Ag针孔的存在是导致Ag生成的HEs向环境中泄漏/浪费的主要原因。

此项研究为共振催化剂的设计提供了新的视角,并为Ag-Ag基半导体共振光催化剂的稳定性机制提供了新的解释,同时对理解纳米银的环境稳定性也有一定意义。相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201601773)上 。