Adv. Funct. Mater. ：各向異性Ag2S-Au三角納米棱柱用于等離子體可見/近紅外光催化制氫

【引言】

具有表面等離子體共振(SPR)的貴金屬納米顆粒(NPs)與半導體復合形成的等離子體光催化劑，由于其強烈的可見/近紅外光響應和高效的電荷分離，吸引了眾多研究人員的關注。等離子體光催化機理一般認為是入射光激發等離子體金屬的自由電子形成轉移到半導體的熱電子以生成氫氣，而空穴保留于金屬進行氧化反應。等離子體光催化劑的性能很大程度上取決于金屬粒子的結構和組成。由于SPR誘導的電子-空穴對復合速率較快，構筑異質結(半導體/金屬)能夠促進半導體和金屬之間的等離子體熱電子轉移，提升光催化制氫性能。然而，半導體和金屬之間的復合方式對于等離子體光催化劑的性能至關重要。

【成果簡介】

近日，日本大阪大學Tetsuro Majima教授、暨南大學李寶軍教授(共同通訊作者)等通過控制Ag₂S的選擇性增生，制備了各向異性的Ag₂S外延Au-三角納米棱柱(TNPs)作為等離子體光催化劑用于光催化制氫，并在Adv. Funct. Mater.上發表了題為“Anisotropic Ag₂S–Au Triangular Nanoprisms with Desired Configuration for Plasmonic Photocatalytic Hydrogen Generation in Visible/Near-Infrared Region”的研究論文。在可見光和近紅外光照射下，Ag₂S外延Au-TNPs的制氫速率(796 μmol·h^-1·g^-1)相比Ag₂S包覆Au-TNPs(216 μmol·h^-1·g^-1)和純Au-TNPs高出近4倍。單粒子光致發光研究表明等離子體誘導的熱電子由Au-TNPs向Ag₂S轉移進而用于產氫。

【圖文簡介】

圖1 催化劑的形貌表征

a-c) Au/Ag-TNPs(核/殼)、Ag₂S包覆Au-TNPs和Ag₂S外延Au-TNPs的TEM圖像；

d) Au/Ag-TNPs(核/殼)、Ag₂S包覆Au-TNPs和Ag₂S外延Au-TNPs的可見-近紅外吸收光譜。

圖2 Ag₂S外延Au-TNPs的形貌和元素分析

a,f) Ag₂S外延Au-TNPs的TEM圖像；

b) Ag₂S外延Au-TNPs的HAABF-TEM圖像；

c) Ag₂S外延Au-TNPs的HAADF-TEM圖像；

d,e) Ag₂S外延Au-TNPs的HRTEM圖像；

g-i) Ag₂S外延Au-TNPs的元素分布；

j) 單顆粒Ag₂S外延Au-TNP的EDS線掃。

圖3 硝酸銀加入量對Ag₂S外延Au-TNPs形貌和光吸收的影響

a-c) 不同硝酸銀(20 × 10^-3 M)加入量(10、20和30 μL)的Ag₂S外延Au-TNPs的TEM圖像；
d) 上述樣品的吸收光譜。

圖4 硫源反應時間對Ag₂S外延Au-TNPs形貌和光吸收的影響

a-e) 與硫源反應不同時間(1-5 d)的Ag₂S外延Au-TNPs的TEM圖像；

f) 上述樣品的吸收光譜；

g) Ag₂S在Au-TNPs上各向異性生長機理示意圖。

圖5 Ag₂S外延Au-TNPs的光催化制氫性能

a,b) Ag₂S包覆、Ag₂S外延、純Au-TNPs和Ag₂S作為等離子體光催化劑在可見-近紅外(λ>420 nm)光照下的制氫活性和速率；

c) Ag₂S外延Au-TNPs的光催化制氫表觀量子效率和吸收光譜；

d) 不同生長時間Ag₂S外延 Au-TNPs樣品的光催化制氫速率。

圖6 催化劑的單顆粒穩態熒光

a,c) Au-TNP和Ag₂S外延 Au-TNP的單顆粒PL圖像；

b,d) Au-TNP和Ag₂S外延 Au-TNP的單顆粒PL光譜。

圖7 Ag₂S外延Au-TNPs光催化制氫機理

Ag₂S外延Au-TNPs光催化制氫機理示意圖。

【小結】

研究人員通過控制Ag₂S在Au-TNP邊緣的選擇性增生，制備了各向異性的Ag₂S外延Au-TNPs，作為等離子體光催化劑用于近紅外光催化制氫，其制氫速率是Ag₂S包覆Au-TNPs的近4倍。單粒子光致發光研究表明等離子體誘導的熱電子由Au-TNPs向Ag₂S轉移為進而用于產氫，多極表面等離子體共振(MSPR)和偶極表面等離子體共振(DSPR)是SPR PL淬滅和電荷分離的渠道。時域有限差分(FDTD)計算和實驗結果表明，各向異性Ag₂S外延Au-TNPs能夠促進SPR誘導熱電子轉移和電荷分離以進行高效光催化制氫。

文獻鏈接： Anisotropic Ag₂S–Au Triangular Nanoprisms with Desired Configuration for Plasmonic Photocatalytic Hydrogen Generation in Visible/Near-Infrared Region (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706969)

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