南京工業大學教授呂剛課題組與電子科技大學、德國達姆施塔特工業大學合作，設計出一種新型等離激元復合材料，作為高效且穩定的析氫光催化劑，獲得的周轉頻率高達每小時4650。該方法還有望應用于二氧化碳還原、固氮等領域。相關研究成果日前發表在《自然—通訊》。
利用等離激元結構提升鈷卟啉分子催化劑的效率用于產生氫氣。課題組供圖
據悉，金屬卟啉類催化劑由于具有獨特的共軛結構（共軛，指電子按照一定規律配成一對，卟啉中的四個吡咯環即通過共軛雙鍵連接）、優異的光電性能等優勢被應用于析氫反應，但是其光吸收能力和光穩定性均較差。
而金屬納米顆粒如金、銀和銅等，在可見光和/或近紅外光譜區可顯示出局域表面等離激元共振效應——即金屬表面自由電子發生集體振蕩的現象，具有卓越的光學特性。在光照作用下，等離子體納米結構附近會產生局部電磁場、局部加熱以及熱電子的激發，可以有效促進附近的分子的化學反應活性。然而，等離激元產生的熱電子（即處于激發態的電子）難以在單組分納米結構中有效分離，限制了它們在化學反應中的應用。為了解決這個問題，開發等離激元復合材料正成為等離激元介導的光催化的主流。
“基于局域表面等離激元效應，處于等離激元納米結構周圍的這些分子催化劑的催化活性可以顯著提高。” 呂剛介紹，課題組通過將外端帶有四個吡啶基的鈷卟啉分子與金納米顆粒進行復合，利用金顆粒的等離激元效應激發鈷卟啉分子催化劑的活性，從而提升催化反應的效率，成功地開發出一種高效且穩定的析氫光催化劑，獲得的周轉頻率高達每小時4650。
研究表明，該系統優異的光催化析氫活性可歸功于金顆粒和鈷卟啉分子之間的一加一大于二的強協同作用。呂剛表示，實驗結果和理論計算都說明了等離激元金納米顆粒在金顆粒—鈷卟啉界面處產生熱電子的壽命得到延長，并且可以將熱電子轉移至鈷卟啉分子的最低未占據軌道上，有利于促進析氫反應的進行。” 。
該方法具有制備過程簡單以及高成本效益的優勢，該研究也為高效雜化納米催化劑（指納米材料混合后形成的催化劑）的設計和制備提供了一種全新的方法。該方法也可以擴展到其它光催化體系，如二氧化碳還原、固氮等。“還原二氧化碳制備含碳化合物，比如一氧化碳、甲醇、甲烷、乙醇、乙烯等，主要是利用等離激元效應激發相應分子催化劑的活性，從而提升催化反應的效率。比如這里，可以將等離激元納米結構與催化二氧化碳還原的分子催化劑結合，利用等離激元提升分子催化劑的活性，從而提升二氧化碳還原的效率。” 論文的第一作者、南京工業大學碩士生盛回香說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37271-9