近日，北航材料科學與工程學院刁鵬教授團隊在局域表面等離子體共振（LSPR）效應增強光電催化效率方面取得重要進展。該研究通過精準設計“金屬納米顆粒/半導體”復合材料體系，定量解析了LSPR效應中熱電子轉移（HET）與等離子體激元誘導的共振能量轉移（PIRET）對光電催化析氫反應（HER）的貢獻比例，為高效等離子體光電催化材料的設計提供了理論依據。相關成果（Quantifying localized surface plasmon resonance induced enhancement on metal@Cu2O composites for photoelectrochemical water splitting）發表于國際權威期刊《Advanced Materials》，北航材料學院博士研究生肖甜甜為論文第一作者，北航材料學院刁鵬教授為論文通訊作者，北京航空航天大學材料科學與工程學院為論文唯一完成單位。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adma.202501069

圖1 HET和PIRET提升復合電極催化性能機理圖

光電催化水分解制氫是一種將太陽能轉化為化學能的關鍵技術，同時也是降低碳排放、緩解環境污染的重要途徑，然而傳統半導體材料的光吸收效率低、載流子復合嚴重等問題嚴重制約了其實際應用。近年來，利用金屬納米顆粒的LSPR效應提升光電催化性能已成為研究熱點，但由于HET和PIRET兩種機制往往同時發生并共同影響光電流，學界對其各自貢獻比例一直缺乏定量認識，如何量化兩種效應的影響是目前亟待解決的關鍵問題。

圖2 Cu@Cu2O復合電極的制備及表征

針對這一挑戰，研究團隊巧妙地構建了結構精準可控的‘金屬納米顆粒/半導體’材料體系，定量研究了金屬納米顆粒的局域表面等離子共振效應（LSPR）中熱電子轉移（HET）和共振能量轉移（PIRET）對光電催化活性的增強機制。在采用不同方法（惰性氣氛熱分解法和兩步電沉積法）構建的具有相同‘銅納米顆粒/Cu2O’結構的復合電極（Cu@Cu2O、CuED@Cu2O）材料體系中，銅納米顆粒的LSPR效應對光電極的光電催化活性有明顯的提升作用。通過選擇不同的入射光波段，實現了對銅納米顆粒的LSPR效應中HET和PIRET對光電流密度貢獻比例的定量化分析。結果發現，具有相同電極結構的兩復合電極展現出相似的結果，在0.0 V vs.RHE下，PIRET分別占總光電流密度的45.8%和40.3%，HET的貢獻率分別為35.3%和34.9%。

圖3‘銅納米顆粒/Cu2O’復合電極的分段光電流密度以及LSPR效應中HET和PIRET在復合電極光電流密度增量中的貢獻比例

此外，研究團隊還通過兩步電沉積法構建了具有相同結構的‘不同貴金屬納米顆粒/Cu2O’復合電極材料體系MED@Cu2O（M=Au,Ag,Pd,Pt）揭示了不同種類金屬納米顆粒的LSPR特性與光電催化增強效應之間的關系：只有當金屬納米顆粒的LSPR吸收峰能量低于Cu2O的帶隙能量時HET才會顯著增強，并且該效應會隨外加偏壓的負移而進一步強化。這說明通過調控金屬納米顆粒的LSPR吸收與半導體帶隙的相對位置，可定向強化HET效應，而且可以通過優化外加電勢進一步激活熱電子注入過程。

圖4 MED（M=Au,Cu,Ag, Pd, Pt）的LSPR吸收與Cu2O吸收帶邊的相對位置對HET增強效應影響以及HET增強效應隨外加偏壓的變化關系

該研究不僅證實了金屬納米顆粒的LSPR效應對Cu2O光電催化活性的增強作用，還揭示了金屬納米顆粒的LSPR效應對復合電極光電催化性能的增強機制，建立了LSPR增強效應的定量化分析方法，提出了“金屬LSPR特性-增強機制-催化性能”的構效關系，為設計高效等離子體光電催化劑提供了重要理論依據，有望推動太陽能-氫能轉換技術的實用化進程。本研究得到國家自然科學基金（No.52271197，51872015）的資助。

本文來自：北京航空航天大學

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