科學家發現光子晶體可調控等離激元光催化反應機制

　　近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員李燦團隊在等離激元耦合光子晶體光催化研究中取得新進展。團隊通過將金（Au）等離激元納米顆粒組裝在二氧化硅（SiO2）光子晶體中，并輔之以鉑（Pt）催化劑，構建了三維催化劑PtAu/SiO2，實現了光子和等離激元量子效應的協同，進而以光催化甲醇脫氫為指標反應，揭示了其中非熱載流子機制的主導作用，為高效太陽能光催化轉化提供了新思路。相關成果發表在ACS Photonics。

　　太陽能光催化中半導體基光催化劑存在光吸收范圍有限、載流子復合快等瓶頸。等離激元納米結構可以拓展光吸收范圍，但其通過局域表面等離激元共振產生熱載流子的超快弛豫導致能量以熱形式耗散，限制了光催化效率。李燦團隊早期研究發現，金-二氧化鈦（Au-TiO2）界面是水氧化反應活性位點。隨后，他們又基于雙金屬合金化策略，設計了銀-金（Ag-Au）和金-銅（Au-Cu）粒子等離基元，在光催化水氧化反應中取得系列進展。

　　在此基礎上，本工作創新性地將光子晶體與等離激元結合，利用有限元模擬指導材料設計，構筑了PtAu/SiO2光子晶體催化劑。團隊發現，在SiO2光子晶體中引入部分光子帶隙，可基于慢光子效應調控光的傳導。與此同時，Au納米顆粒使光子晶體形成缺陷，使光強在光子晶體中產生局部增強。該方法突破了常規等離激元受限于光激發產生熱電子、熱電子再傳熱給晶格的雙溫模型，實現了光子和等離激元量子效應耦合所引入的非熱載流子路徑主導反應過程。

　　團隊通過提升局域光生載流子濃度，實現了載流子從Au到Pt的有效注入，并在Pt催化劑上完成了高效催化反應，將甲醛產率提高了45倍，且選擇性超過99.8%。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02022