高效金属-导电碳分子-金属复合等离子体光催化材料制备、表征及其光催化机理的单分子/单颗粒研究

Exploring highly active plasmonic photocatalyst has attracted more attention due to its potential applications in energy and environment areas. However, because of short life time (<1 ps) of plasmon induced hot electrons, fast recombination of photoinduced electron-hole pairs result in low efficiency of plasmonic photocatalysts. In the present project, our research strategy is that conductive molecules (such as graphene, carbon nanotube and fullerene) are used to combine plasmon metal particles with highly active catalytic metal particles to be composite plasmonic photocatalysts, hot electrons generated on the plasmonic metal can transfer to catalytic metal through conductive molecule for hydrogen generation. Advanced single-molecule and single-particle PL microscopy are used to study the generation, transfer and recombination of hot electrons in the composite photocatalysts for revealing detailed photocatalytic mechanism. Our project is very important for development of plasmonic photocatalysis.

发展高效光催化剂为应对能源短缺和环境污染两大难题提供了有效途径，具有重大意义。针对目前金属等离子体光催化材料所面临的量子效率低、SPR效应弱和活性依赖于双金属结构等问题，我们的研究策略是利用导电碳分子（如石墨烯、纳米碳管及富勒烯等），将强表面等离子体贵金属（Au、Ag、Cu）纳米颗粒与高催化活性金属（Pt、Pd、Ni）纳米颗粒复合，利用导电碳分子的良好导电性，使贵金属纳米颗粒SPR产生的热电子通过有机导电分子快速传递到催化活性金属表面，促进热电子与空穴的有效分离，提高光催化效率。同时利用单颗粒/单分子荧光显微镜表征手段研究金属-导电碳分子-金属复合光催化材料的热电子产生、传递及复合的物理化学过程，深入探究等离子体光催化的机理，为探索制备高效等离子体光催化材料提供指导。本项目为高效等离子体光催化剂的构建和制备提供了新思路，对光催化材料的发展具有重要意义。

项目围绕金属表面等离子体共振（SPR）光催化材料热电子传递弱的难题，提出了构建新型复合金属SPR材料，促进载流子传递，提高光催化性能。主要研究了1）纳米金三角片及纳米金圆盘表面异项金属及半导体的选择性负载，获得了多种双金属及金属/半导体各向异性复合SPR材料，并对其光催化性能进行了评价，同时利用单颗粒荧光显微镜研究了SPR热电子的产生、传递及复合的具体物理化学过程；2）将SPR光催化材料从金属材料拓展到半导体材料，并研究了高浓度氧缺陷对三氧化钨SPR效应影响，同时提出了电子注入稳定非金属SPR效应的研究思路，通过构建半导体/非金属SPR材料复合结构，证明了研究思路的可行性，同时通过光催化产氢及二氧化碳还原证明了材料的稳定性。相关的研究成果发表在Adv. Funct. Mater. (2篇， IF=16.836)， Appl. Catal. B-Eniviron. (2篇， IF=16.683)、Nanoscale Horizon (IF=9.927)等学术期刊共8篇，全部为A1/一区类论文。在本论文的资助下，项目负责人先后获得国家自然科学基金面上项目、广东省杰出青年基金项目，并入选广东省青年珠江学者，同时有多名主要参与人获副高级职称。本项目的研究为高效金属SPR光催化的研究提供了多种制备方法，同时有利于理解热电子的产生传递机理，同时为非金属SPR光催化材料的研究提供了新思路。总体讲，本项目的研究对SPR光催化材料的研究发展具有一定的推动作用。