| cyqdesign |
2023-02-27 19:04 |
中國科大在紅外人工光合成領域取得新進展
通過人造材料，進行與自然界光合作用相似的化學反應，利用陽光、二氧化碳和水生成人類所需物質(zhì)，是大家長期以來的夢想。然而，這種人工光合成體系進行應用嘗試時，面臨著一些重大挑戰(zhàn)，其關鍵是如何利用太陽光中低能量的光子。紅外光是太陽光譜中典型的低能光子，在太陽光譜中占比高達53%。通常的半導體光催化技術只能利用紫外區(qū)和可見區(qū)的光子來驅(qū)動化學轉(zhuǎn)化，制約了太陽能利用效率。近年來，國際上幾個先進的等離激元催化研究團隊（包括中國科學技術大學的熊宇杰教授團隊），提出利用金屬納米材料的等離激元效應來驅(qū)動催化反應的思路，以期解決半導體光催化面臨的瓶頸問題。等離激元金屬納米材料具有吸收低能光子的能力，卻難以將吸收的能量有效地利用到催化反應中去，導致化學轉(zhuǎn)化活性很低。熊宇杰研究團隊針對等離激元催化的機制問題，開展了近十年的研究（Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 3205；Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 2425；J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6822；J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7807；Adv. Mater. 2022, 34, 2202367）。近日，熊宇杰/龍冉研究團隊設計了一類等離激元催化材料，發(fā)現(xiàn)其獨特的界面耦合態(tài)直接電子激發(fā)機制，實現(xiàn)了可見光區(qū)和紅外光區(qū)二氧化碳與水的高選擇性轉(zhuǎn)化。該技術使用廣譜低強度光，甲烷產(chǎn)率高達0.55 mmol/g/h，碳氫化合物的產(chǎn)物選擇性達100%，是目前光驅(qū)動二氧化碳資源化利用的最高紀錄，發(fā)表在《自然×通訊》期刊（Nat. Commun. 2023, 14, 221）。 y8O z4|
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該團隊聚焦二氧化碳與水的轉(zhuǎn)化反應，基于等離激元材料的催化活性位點設計，形成金屬與二氧化碳分子的有效雜化耦合體系。通過一系列工況條件下的譜學表征，發(fā)現(xiàn)在等離激元的局域電場增強效應下，其費米能級之上會出現(xiàn)準離散的陷阱態(tài)，有助于發(fā)生熱電子的直接激發(fā)過程，并通過延長熱電子壽命而發(fā)生二次激發(fā)過程，從而實現(xiàn)高效多光子吸收和選擇性能量轉(zhuǎn)移�；谠撟饔脵C制，所設計的材料在可見光區(qū)和紅外光區(qū)范圍內(nèi)，皆可驅(qū)動二氧化碳與水高選擇性轉(zhuǎn)化為碳氫化合物。有鑒于等離激元催化的多光子吸收特點，該團隊設計優(yōu)化了反應裝置，實現(xiàn)了散射光子的高效吸收，從而突破了當前光驅(qū)動二氧化碳資源化利用領域的瓶頸。 4SNDKFw
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該工作得到了天津大學陳星教授、安徽師范大學陸洲教授、臺灣光源王嘉興研究員、合肥光源宋禮教授等課題組的支持合作，得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金、國家優(yōu)秀青年科學基金、中國科學院B類先導科技專項等項目的資助。 mrGfu:r
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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-35860-2
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