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圖片來源：視覺中國
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授熊宇杰、龍冉研究團隊設(shè)計了一類等離激元催化材料，發(fā)現(xiàn)其獨特的界面耦合態(tài)直接電子激發(fā)機制，實現(xiàn)了可見光區(qū)和紅外光區(qū)二氧化碳與水的高選擇性轉(zhuǎn)化。該技術(shù)使用廣譜低強度光，甲烷產(chǎn)率高達(dá)0.55毫摩爾每克每小時、碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)物選擇性達(dá)100%，是目前世界上光驅(qū)動二氧化碳轉(zhuǎn)化速率的最高紀(jì)錄。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然·通訊》。
利用人造材料進(jìn)行與自然界光合作用相似的化學(xué)反應(yīng)，生成所需物質(zhì)，是人類長期以來的夢想。然而，這種人工光合成體系面臨一些重大挑戰(zhàn)，關(guān)鍵是如何利用太陽光中低能量的光子。紅外光是太陽光中典型的低能光子，占比高達(dá)53%。通常，半導(dǎo)體光催化技術(shù)只能利用紫外區(qū)和可見區(qū)的光子驅(qū)動化學(xué)轉(zhuǎn)化，制約了太陽能利用效率。
近年來，包括熊宇杰團隊在內(nèi)的國內(nèi)外團隊，提出了利用金屬納米材料的等離激元效應(yīng)驅(qū)動催化反應(yīng)的思路，希望解決半導(dǎo)體光催化的瓶頸問題。等離激元金屬納米材料具有吸收低能光子的能力，卻難以將吸收的能量有效應(yīng)用于催化反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)轉(zhuǎn)化活性很低。
熊宇杰團隊針對等離激元催化機制問題開展了近十年研究。團隊聚焦二氧化碳與水的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，基于等離激元材料的催化活性位點設(shè)計，形成金屬與二氧化碳分子的有效雜化耦合體系。通過一系列工況條件下的譜學(xué)表征，他們發(fā)現(xiàn)，在等離激元的局域電場增強效應(yīng)下，其費米能級之上會出現(xiàn)準(zhǔn)離散的陷阱態(tài)，有助于發(fā)生熱電子的直接激發(fā)過程，并通過延長熱電子壽命而發(fā)生二次激發(fā)過程，從而實現(xiàn)高效多光子吸收和選擇性能量轉(zhuǎn)移。
基于該作用機制，團隊設(shè)計的材料在可見光區(qū)和紅外光區(qū)范圍內(nèi)，皆可驅(qū)動二氧化碳與水高選擇性轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?。鑒于等離激元催化的多光子吸收特點，團隊設(shè)計優(yōu)化了反應(yīng)裝置，實現(xiàn)了散射光子的高效吸收，從而突破了當(dāng)前光驅(qū)動二氧化碳資源化利用領(lǐng)域的瓶頸。（記者王敏）
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