基于等离子体共振双体结构的人工光合作用CO2资源化利用

The main challenges in the artificial photosynthesis are the high charge carrier recombination rate in the bulk and the low efficiency of this process. To address these issues, we propose that using photoelectrodes based on plasmonic dimers can improve the charge carrier separation and significantly enhance the efficiency of artificial photosynthesis. Due to the strong localisation of the optical field near plasmonic nanoparticles, the light intensity is channelled to the surface layers of the photoelectrode. Plasmonic dimer in the nanoparticle-on-mirror (NPoM) geometry exhibit extremely localised electrical fields across the material inside the nanogap. While the plasmonic enhancement of individual nanoparticles for artificial photosynthesis has been widely studied, no reports have focused on the greatly-improved photosynthesis available from plasmonic dimers. In this project, we will investigate the kinetics of charge carrier generation, recombination and transfer in the photoelectrodes based on plasmonic dimer. Finite difference time domain (FDTD) method will be employed to simulate the electric field distribution in the plasmonic dimer photoelectrode. The mechanism of the enhanced efficiency in this plasmonic dimer photoelectrode will be studied in detail. This project can provide not only a better understanding of the mechanism of the artificial photosynthesis process, but also a promising route for designing efficient artificial photosynthesis systems via confining and manipulating light absorption.

针对光生电荷的体相复合及人工光合作用效率低等关键科学问题，基于我们前期研究的新发现：采用等离子体共振双体结构的人工光合作用光电极，共振双体中的耦合效应带来的特殊近场增强效应可以产生独特的光吸收及光生电荷传输特性等现象，深入开展等离子体共振双体结构提高人工光合作用效率的机理研究。揭示CO2在等离子体共振双体结构光电极上的化学反应动力学行为。通过超快光谱及光电化学研究，揭示等离子体共振双体结构对光生电荷的产生、分离、迁移及界面转移的影响规律。并采用基于时域有限差分方法，揭示等离子体共振双体结构中的耦合效应带来的独特电磁场分布情况对光生电荷的产生、分离及迁移过程的影响机理。通过等离子体共振双体结构，获得具有高效率和高选择性的人工光合作用体系。该研究对人工光合作用CO2资源化利用机理的深入理解，特别是如何有效降低光生电荷的体相复合及对新型人工光合作用体系的设计都具有重要意义。

环境污染及能源危机是当今人类面临和亟待解决的重要课题。通过人工光合作用将CO2还原为液体化学燃料是解决能源及环境问题的重要途径之一，并受到国内外的广泛关注。针对光生电荷的体相复合及人工光合作用效率低等关键科学问题，我们采用等离子体共振双体结构的人工光合作用光电极，共振双体中的耦合效应带来的特殊近场增强效应可以产生独特的光吸收及光生电荷传输特性等现象，深入开展了等离子体共振双体结构提高人工光合作用效率的机理研究。揭示了CO2在等离子体共振双体结构光电极上的化学反应动力学行为。我们采用基于时域有限差分方法，揭示了等离子体共振双体结构中的耦合效应带来的独特电磁场分布情况对光生电荷的产生、分离及迁移过程的影响机理。通过等离子体共振双体结构，获得了具有高效率和高选择性的人工光合作用体系。该研究对人工光合作用CO2资源化利用机理的深入理解，特别是如何有效降低光生电荷的体相复合及对新型人工光合作用体系的设计都具有重要意义。共发表SCI论文13 篇，影响因子30 以上1 篇，影响因子10 以上有2 篇。