Small Structures:新型多孔plasmonic光阳极异质结材料用于高效光电催化裂解水

光电催化裂解水是一种高效捕获和存储可再生太阳能的新技术,对解决全球能源危机和环境污染问题具有重要的推动作用。然而,析氧反应(OER)复杂的四电子转移过程导致的缓慢动力学问题严重阻碍了光电催化裂解水性能的提升。近年来,金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs) 因其巨大的比表面积、明确的活性位点和多相结构而在能源催化等领域得到广泛关注。但是,MOFs固有的导电性差和能带间隙宽等缺点往往导致光生电子/空穴扩散距离短,载流子复合效率高、对光的利用率不足等瓶颈问题,迄今为止,具有大比表面积、宽光谱响应和高电荷分离效率的高效光阳极催化剂的精准可控制备仍然面临巨大挑战。

近日,中国科学院福建物质结构研究所刘天赋研究员课题组与安徽工程大学朱贤东教授、李传平博士等合作,以金属有机框架材料(ZIF-8)为模板, 通过多步衍生化及原位嵌入合成技术制备了一种新型多孔plasmonic光阳极异质结材料(Ag/Au HPNS-Cd0.8Zn0.2S NSs),并用于高效光电催化裂解水的性能研究。

研究结果发现,经过多步衍生化的多孔Ag/Au HPNS-Cd0.8Zn0.2S NSs保持了良好的多面体形貌,由于Cd0.8Zn0.2S 良好的光吸收特性和Ag/Au HPNS光敏化作用, Ag/Au HPNS-Cd0.8Zn0.2S NSs)能够将本征ZIF-8的光吸收范围从紫外区扩展到近红外区域。光电催化性能研究表明,与本征ZIF-8相比,Ag/Au HPNS-Cd0.8Zn0.2S NSs的阳极光电流密度提高了近10倍(0.16 mA/cm2, 0.65 V vs RHE),并呈现出优异的催化稳定性。深入的机理探索发现,MOFs衍生化多孔Cd0.8Zn0.2S与Ag/Au HPNS能够形成全光谱响应纳米异质结,该异质结能够有效拓宽催化剂的光谱吸收范围;并且,Ag/Au HPNS独特的表面等离激元共振效应能够在Cd0.8Zn0.2S周围形成强烈的近场电磁场增强,显著改善光生电子-空穴的分离效率,降低催化反应的活化能,从而提高催化剂光电催化裂解水的效率。理论模拟发现,具有高介电常数的多孔Cd0.8Zn0.2S可以显著降低等离激元边缘场的衰减速度,拓宽电磁场与半导体的相互作用范围,从而进一步提高光生电荷分离的效率并导致光阳极优异的催化裂解水活性。本工作为高效MOFs基多孔光电催化剂的设计合成提供了新方法,并为深入理解表面等离激元共振效应对催化反应的影响作用机制提供了新视角。

图1

图2

论文信息:

Metal–Organic Frameworks Derived Plasmonic Catalyst with Full Spectral Response for Photoelectrochemical Water Splitting Enhancement

Chuanping Li, Shuoren Li, Tianxiang Hang, Feifei Guo, Xian-Dong Zhu*, Tian-Fu Liu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100071

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100071