钯-金-钯复合纳米结构的构筑及其近红外光催化研究

Nano-photocatalysts are an important application of nanomaterials in energy field. However, the response range of nano-photocatalysts is generally localized in the ultraviolet or visible region. To further improve the potential applications of solar energy, it is very important to develop a new type of nano-photocatalysts with near-infrared response. In this proposal, we aim to use the deposition of atoms and galvanic replacement to construct the Pd-Au-Pd nano-photocatalysts with near-infrared response by controlling the thermodynamics and kinetic factors in the growth process. The influence of different parameters on the structure and morphology of the Pd-Au-Pd nanostructures will be investigated systematically. The optical properties and growth mechanism of the Pd-Au-Pd nanostructures will be explored. In addition, the study on the photocatalytic properties of the Pd-Au-Pd nanostructures, as well as the electrodynamic simulations, will be employed to explore the migration of hot electrons in the photocatalytic process in near-infrared field and reveal the mechanism of plasmon-enhanced photocatalysis. We believe that our study can pave the way for broadening the applications of solar energy.

纳米光催化剂是纳米材料在能源领域的一个重要应用。然而，目前纳米光催化剂的响应区间一般在紫外光或可见光区域，为了进一步提高太阳能的利用率，发展具有近红外响应的新型纳米光催化剂非常重要。本申请项目利用原子沉积和金属置换的手段，通过控制生长过程中的热力学和动力学因素，设计构筑具有近红外响应的钯-金-钯复合纳米光催化剂。同时系统研究合成过程中的不同参数对结构、形貌的影响，分析钯-金-钯复合纳米结构的光学性质和生长机理。此外，研究钯-金-钯复合纳米结构对有机反应的光催化性能，结合数值模拟的方法，深入探索近红外光催化有机反应过程中热电子的迁移规律，揭示双金属的等离激元增强光催化性能机理。本研究将为拓宽太阳能的应用范围提供重要的实验依据和理论基础。

利用光催化剂直接将太阳能直接转化为化学能已受到广泛关注。然而，目前光催化剂的响应区主要集中在可见光区域，为进一步提升对太阳光的有效利用率，制备具有近红外响应的光催化剂是有效途径之一。鉴于此，本项目拟借助具有优异可调表面等离激元性质的金纳米结构为基础，结合钯的催化特性，构筑具有近红外响应的钯-金-钯复合纳米结构。主要进行以下四个方面研究：（1）以金纳米双锥基银纳米棒为模板，结合置换反应及共还原反应制备出钯-金-钯复合空心纳米结构，相较于钯原子于金纳米结构上的直接沉积，所构复合纳米结构展现出杰出的表面等离激元特性，而空心结构有利于进一步将复合结构的催化性能强力提升。（2）结合FDTD理论模拟与实验分析，明确所得复合纳米结构的等离激元特性主要来自于金纳米双锥，而外围Pd纳米结构对此的贡献微乎其微；此外，通过对生长过程的深入研究，明晰该反应体系中钯原子的沉积生长规律，并将该生长机理推广，实现至金-铂、金-银金复合空心纳米结构的制备。（3）进一步以金-银金复合空心纳米结构为基础，通过控制生长温度及表面活性剂，实现对钯原子沉积点的控制，进而制备出新型钯-金-钯复合阵列纳米结构。（4）结合所构钯-金-钯复合纳米结构的表面等离激元特性及光催化特性，可作为SERS基底实现对催化反应的监测、催化双重功效；在Suzuki偶联反应中，在LSPR对应激光的照射下，碘苯的转化率达到85%。在本项目资助下，发表SCI论文8篇，参加国内外学术会议3次，申请中国发明专利4项；培养硕士研究生3名，联合指导博士研究生2名，硕士研究生2名。项目投入直接经费24.6万元，支出20.314万元，各项支出基本与预算相符。结余经费4.286万元，这些款项将用于该项目的后续研究。