Nat. Chem.：金納米粒子的等離子體激發產生的多個電子空穴對

【引言】

多電子氧化還原反應是人工光合作用的核心，但動力學緩慢。在尋找用于此類方法的合成催化劑的過程中，發現等離子體納米顆粒在可見光下催化CO₂的多電子還原，這個例子激發了對用于這種多電子化學的等離子體激元催化驅動的框架的需求。

【成果簡介】

近日，來自伊利諾伊大學香檳分校的Prashant K. Jain（通訊作者）的團隊在 Nat. Chem.發表了題為Harvesting multiple electron–hole pairs generated through plasmonic excitation of Au nanoparticles的文章，闡明了從等離子光催化劑中提取多種氧化還原等價物的基本原理。測量結果在理論建模的支持下揭示了激發金納米粒子的雙電子轉移變得普遍的體系，在中等強度的連續波，可見光激發下多重電子收集成為可能，這是由于使用空穴清除劑完成的金和電子-空穴分離中強的帶間過渡。這些見解將有助于將等離子體光催化作用超越二氧化碳減排擴展到其他具有挑戰性的多電子，多質子領域。

【圖文導讀】

圖1：從等離激元激發的金納米粒子的電子轉移

a: 包含金NP光催化劑和Fe ³⁺電子受體的實驗模型系統；

b: 具有絕對電化學能量的能級示意圖；

c: 輻射時間的函數的UV-Vis光譜顯示Fe ³⁺到Fe ²⁺的定量轉化；

d: 光催化劑存在下Fe³⁺到Fe²⁺的轉化率作為輻照時間（黑點）的函數。

圖2 ：電子傳遞速率對光子通量的依賴性

a: 在去離子水中測量等離子體激發驅動的傳輸速率；

b: 半定量模型顯示在高功率下反應速率；

c: 反應速率與激光功率的函數關系。

圖3：空穴清除劑對多電子轉移傾向的影響

a: 電子轉移的實驗速率（頂部）隨著用作空穴清除劑的濃度的增加而增加，確定速率時的標準擬合誤差由每個數據點對應的誤差線的大小表示；

b: 空穴清除劑的類型對光催化轉化時間影響，通過該線性光轉換時間曲線的斜率給出的反應速率用速率中的標準擬合誤差表示， 還顯示了沒有空穴清除劑（去離子水）的數據。

圖4：激發波長對多電子轉移傾向的影響

a: 在150mW的激光功率下作為激發波長函數的反應速率曲線顯示在較短波長處的反應速率增加，其中頻帶間吸收更強。確定速率時的標準擬合誤差由每個數據點對應的誤差條的大小表示；

b: 作為波長的函數計算的金納米粒子的帶間吸收截面；

c: 光催化反應速率隨入射激光功率的變化曲線；

d: 反應速率與激光功率的函數。

【小結】

該團隊描述了從等離子體金NP光催化劑收集電子的過程。在可見光激發下，金納米顆粒驅動光氧化還原催化，該催化依賴于通過帶間d→sp轉變產生電荷分離狀態和由清除劑捕獲空穴的能力。在適當的條件下可以驅動多電子反應，多電子轉移機制可以通過連續波激發而不是脈沖光來完成，對于該區域所需的光強度可以用濃縮形式的太陽能輻射實現，其本身具有0.1Wcm^-2強度。這些見解構成了具有挑戰性的多電子，多質子化學的電漿子催化的基礎。

文獻鏈接：Harvesting multiple electron–hole pairs generated through plasmonic excitation of Au nanoparticles（Nat. Chem..2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0054-3）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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