Au-Ni3S2核-壳结构的制备以及催化机理的研究

Here we synthesize Au-Ni3S2 core-shell nanostructure as catalyst for water splitting to produce H2 and O2. In this nanostructure, the gold core can dramatically increase its catalytic efficiency when exposed to white light. However, the role of the interface between Au core and Ni3S2 shell has not been invested in detail or revealed clearly. I propose to investigate the energy transfer mechanism at the interfaces. In addition, we can modify the geometry of the core-shell nanostructure to probe the role of Ni3S2 shell thickness on catalytic efficiency.Using state of the art aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS), the atomic structure and chemistry of the interface can be characterized at atomic scale. With the help of density functional theory (DFT) calculations, we can analyze the electronic structure and determine the light-electron interaction.

我们计划制备一种高性能Au-Ni3S2核-壳结构的纳米颗粒催化剂，主要用于催化水分解产生氢气和氧气，可以将电能和光能转化为化学能；这种结构中金纳米颗粒作为核心可以有效提高外层硫化镍的催化效率，而且在光照下催化效率还会有成倍的增强；界面在Au-Ni3S2核-壳结构的催化性能中的作用还没有任何文献做出确凿的说明。我申请对上述问题通过球差矫正扫描透射显微镜和电子能量损失谱进行彻底分析和研究，确定两种材料间的能量输运方式和界面的作用。而且可以调控催化剂的组分和结构，制备出一系列拥有不同的Ni3S2厚度的核-壳结构，分析其催化性能的改变。从中总结出界面在核-壳结构催化中的作用。同时对这种材料的界面微观结构和成分分布进行表征，确定界面的原子结构和元素化学分布。结合DFT计算，我们可以分析出界面能带结构，确定光吸收过程。

裂解水制氢是一种可持续的清洁能源发展途径。具有等离子体核心和催化壳层的混合纳米结构通常在特定频率的照射下显示出显着提高的催化效率。在光照下激发等离子体金属上的局部表面等离子体共振可以产生有助于催化反应的热电子。本项目据此设计了通过贵金属与催化剂复合来提升光解水活性的策略，即构建核壳结构Au/Ni3S2纳米颗粒催化剂，采用透射电子显微镜中的低能电子能量损失分析方法，研究该类材料的微结构与催化性能的关系。.我们设计了一种具有等离子Au金属核和几乎透明的Ni3S2壳的复合材料，通过在核处形成强烈的局部表面等离子共振，从而最大限度地吸收入射光。入射光能主要通过形成电子-空穴对消散在壳层上，提升析氧反应的能量流速。在10 mA cm-2的电流密度下，Au@Ni3S2 的过电位仅为252 mV，光照下催化活性约是Ni3S2的85倍，超过了商业IrO2催化剂。.等离激元核与催化壳之间的能量转移机制以及等离激元在析氧反应中的功能机制仍不清楚。我们设计了具有良好控制形态的核壳（core-shell）Au@Ni3S2和中空核壳（yolk-shell）Au-Ni3S2，通过使用单色低损耗电子能量损失光谱直接绘制等离子体的分布。中空核壳Au-Ni3S2中的结构孔极大地改变了介电环境，并显着增强了对入射光的吸收。进入的光能主要通过形成电子-空穴对在壳层上消散，导致析氧反应的能量流率更高。在光照条件下，中空核壳型Au-Ni3S2的催化活性是核壳型Au@Ni3S2的近6倍，是纯Ni3S2的80倍以上。我们的结果表明，精细的催化剂微观结构控制可以作为设计更高效催化剂的有效方法。.贵金属纳米颗粒和催化剂的复合结构在光照下能大大提高催化效率，因为贵金属纳米颗粒具有很强的局域表面等离子体效应，能提高对光子的吸收率和加快电荷分离过程。对于传统的等离子体诱导热电子迁移机制，光照下在金属表面产生的电子空穴对能够转移到紧邻的半导体催化剂从而增强催化反应。