研究慢光子效应与表面等离子体共振效应的协同作用及其光解水产氢应用

The utilization and development of hydrogen energy have been considered as one of the most efficient ways to solve the problems of energy crisis and environmental pollution. Photochemical water splitting is one of the most ideal techniques for hydrogen generation. The light absorption enhancement of materials will result in more photons interacting with the materials. It will be beneficial to more charge carriers generation for water splitting reactions and increase the light conversion efficiency fundamentally. In this project, we aim to study the effect on the light absorption of materials by the “slow photon effect” in photonic crystals and the Surface Plasmon Resonance (SPR) in noble metallic nanoparticles . We design various photonic crystals structured photocatalysts loaded with noble metallic nanoparticles. It is anticipated that coupling the “slow photon effect” with the SPR will promote the light absorption of photonic crystals. The study of the “slow photon effect” and the SPR in the photocatalysts will reveal how the coupling effect works in detail and the outcome of the coupling effect will be reflected in the application of enhancing the photocatalytic performance of hydrogen generation by water splitting.

氢能的开发利用是现今公认的解决能源枯竭及环境污染问题的有效途径之一，太阳能光解水产氢技术成为制备氢能的理想技术。控制材料对光的吸收，使更多的光子与物质发生相互作用，激发出更多载流子用于光解水反应，将从根本上提高太阳光的转化效率，对高效利用太阳能具有至关重要的意义。本项目旨在研究在光子晶体结构中存在的“慢光子效应”以及贵金属颗粒的表面等离子体共振效应对材料的光吸收所产生的影响，拟通过设计各种含有贵金属纳米颗粒的光子晶体结构光催化体系，调控其中的“慢光子效应”和表面等离子体共振效应，深入揭示两种效应的协同作用如何发生以及相互影响，并应用于促进光解水产氢性能。

反蛋白石结构作为一种典型的光子晶体结构，入射光的吸收增强、贯通的孔道结构、高比表面积、组分易于调节等特点赋予了其优异的光（电）催化性质。本文针对单一组分材料在光解水产氢应用方面较低的光吸收效率、较高的电子空穴复合率等劣势，构筑了多元组分反蛋白石结构光子晶体材料，通过对结构和成分的调变来增强太阳能转化效率。通过调节金纳米粒子的尺寸，在利用表面等离子体共振效应进一步提升三元组分光子晶体材料对入射光的吸收效率的同时，研究金纳米粒子的尺寸效应。结果显示，处在CdS和TiO2中间的金纳米粒子一方面作为光敏化剂为光解水产氢提供热电子，拓宽三元组分材料对入射光的吸收范围。另一方面，作为电子传输体，有效促进CdS在光照条件下产生的电子与空穴的分离。金纳米粒子存在的以上两种效应均与尺寸相关，随着尺寸的逐渐减小，表面等离子体共振效应逐渐增强，而电子传输阻抗呈现先减小后增大的趋势，当金纳米粒子尺寸在10 nm左右时，三元组分光子晶体材料具有最高的产氢活性和表观量子效率。