具有稳定非金属表面等离子体共振效应的复合材料构建及其光催性能研究

Surface plasmon resonance of noble metal nanoparticles have been applied in photocatalysis, leading to improvement of visible light driven photocatalysis. However, the rarity of noble metals limitted the large-scale applications of plasmonic photocatalysis. Therefore, nonmetallic materials with surface plasmon resonance become the substitutes of noble metals, providing the cheap materials for plasmonic photocatalysis. In recent reports, surface plasmon resonance of nonmetallic materials was not stable in photocatalysis, restricting the recycle use of nonmetallic plasmonic photocatalysts. In this project, composited photocatalysts will be constructed by coupling semiconductor(organic dyes) and nonmetallic plasmonic materials. Photoelectrons generated on semiconductors or organic dyes rapidly inject into nonmetallic material to keep high density of free carriers, leading to stable surface plasmon resnance for high efficient plasmonic photocatalysis. We will study the effects of coupling manners, semiconductor types and organic dyes' structure on photoelectron transfer, surface plasmon resonance and photocatalytic properties. We also will study the redox active sites by single-molecule spectrocopy technology. The generation and transfer of photoelectrons in semiconductors and hot electron in nonmetallic plasmonic materials will be studied by single-particle spectroscopy and transient absorption/emission spectrum. Depth understanding of photocatalytic mechanism of nonmetallic plasmonic materials will be provided for exploring novel high efficient photocatalysts.

目前报道的具有表面等离子体共振效应（SPR)的贵金属材料价格昂贵、储量稀少。而价格低廉的非金属SPR材料在光催化中的应用研究处于起步阶段，其制备方法可控性差、SPR效应稳定性差、催化机理不清楚。对此，本项目将研究制备半导体（有机染料分子）/非金属SPR材料复合结构，使半导体或有机染料分子产生的光生电子持续快速注入到非金属材料的导带，保持其高载流子浓度，稳定SPR效应，构筑稳定的非金属SPR光催化材料体系；同时研究半导体类型、有机染料分子种类、复合方式对光电子传递和SPR效应的影响，并对制备的复合非金属SPR光催化材料的性能进行评价；进一步通过单分子荧光技术研究光催化过程中的氧化还原反应的活性位点，通过单颗粒荧光显微技术、瞬态荧光和吸收光谱研究光催化过程中光电子的产生、传递以及SPR热电子的产生、转移、复合的物理化学过程，阐释复合非金属SPR光催化材料的光催化机理。

本项目针对非金属表面等离激元光催化材料不稳定的难题，提出了开展具有稳定非金属表面等离子体共振效应的复合材料构建及其光催性能的研究。.四年来取得一下重要学术成果：.1）提出了电子富集诱导非金属SPR效应的概念，在光催化材料钨酸铋和碳氮聚合物中成功构建了非金属SPR效应；.2) 提出了电子注入稳定非金属SPR效应的研究新策略，制备出多种具有稳定非金属SPR效应的复合光催化材料，实验证实了非金属SPR效应可稳定用于光催化分解水产氢和二氧化碳还原；.3）发现了三氧化钨/还原氧化石墨烯非金属SPR复合材料可高效光催化醇类脱水生成烯烃，厘清了非金属SPR热载流子与光热效应对催化反应的协同贡献，首次证明了非金属SPR热载流子在增强催化反应中起决定性作用。.4) 将非金属SPR材料与上转化发光材料复合，实现了癌细胞生物成像和光热治疗的双重功能。..在本项目资助下，以第一/通讯作者在Nature Comm. (Nature 子刊，影响因子17.69)、ACS Nano (影响因子18.027)、Adv. Funct. Mater. (影响因子19.924)、Appl. Catal.B-Environ. (影响因子24.319)、Chem. Eng. J. (影响因子16.744) 等重要学术期刊发表论文15篇，影响因子16以上5篇。受邀为J. Mater. Chem. A等期刊撰写展望或综述论文2篇，参与编写英文专著1部。申请中国发明专利5件、授权专利1件，在国内外学术会议做邀请报告8次、主题报告1次。..部分研究成果被美国科学院院士、澳大利亚科学与工程院院士、欧洲科学院院士、中国科学院院士等国内外学者在Nat. Nanotechnol.、Nat. Catal.等学术期刊论文中引用指出: “发现了表面等离子体共振效应增强三氧化钨在可见-近红外光照下的催化活性”、“清晰阐述了氧缺陷钨酸铋的等离激元效应与选择性还原二氧化碳产甲烷之间的关系”、“具有丰富氧缺陷的三氧化钨可催化乙醇脱水产乙烯”。研究成果入选2021年度JMCA新锐科学家专刊，被认为有望影响材料化学的未来发展方向。多次被中国科学报等媒体在科学网报道。