固體所在金屬氧化物表面等離激元性能調控和應用方面取得新進展

發表時間: 2021-02-07 作者:唐海賓

近期,中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術研究部孟國文研究員課題組在金屬氧化物表面等離激元光學性能調控和光催化應用方面取得新進展,相關研究結果以Visible-Light Localized Surface Plasmon Resonance of WO3-x Nanosheets and Its Photocatalysis Driven by Plasmonic Hot Carriers為題發表在ACS Sustainable Chemistry Engineering (ACS Sustain. Chem. Eng., 9, 1500-1506 (2021)上。

表面等離激元效應一般存在于金、銀、銅等貴金屬納米結構中。近年來研究顯示,一些簡并摻雜的半導體,如非化學計量銅硫系化合物、非本征摻雜金屬氧化物和含氧空位金屬氧化物等,也具有顯著的表面等離激元效應。相對于貴金屬納米結構,這些半導體材料(特別是金屬氧化物),因其在地殼中豐度高制備成本低,更有利于商業化和大規模應用。另外,目前的半導體等離激元材料的光學響應區間大都在紅外區和近紅外區,不利于高效利用太陽能。此外,相對于金屬納米結構,關于半導體中表面等離激元通過朗道阻尼(Landau damping)產生的熱電子和熱空穴的研究很少。

研究人員通過溶劑熱法合成氧化鎢納米片后,采用氫氣氛圍下熱還原方法,引入大量氧空位,成功將WO3-x納米片的局域表面等離激元共振(LSPR)吸收中心藍移至540 nm。這是目前報道的WO3-x納米結構具有的最短LSPR吸收中心波長。此外,通過加載長波濾波片>470 nm),排除WO3-x納米片中可能出現的由帶間躍遷產生的電子和空穴對催化的貢獻,研究其表面等離激元產生的熱電子和熱空穴的催化性能結果表明所制備的WO3-x納米片對甲基橙具有很好的光催化降解效果。通過不同的自由基捕獲劑對比試驗發現,WO3-x納米片中產生的熱電荷和熱電子與溶解氧產生的超氧自由基在降解甲基橙過程中起主要作用。該工作表明,WO3-x納米片中產生的等離激元熱電子和熱空穴能夠高效分離,而且熱空穴可以直接與甲基橙發生反應。相比之下,在金屬納米結構中,由于極短的壽命和相對較低能量,熱空穴很難直接氧化反應物,通常需要其他空穴收集材料(如P型半導體)與金屬納米結構復合或施加外電場才能有效利用熱空穴。該工作初步顯示了半導體等離激元材料的優異性質及其在光催化和太陽能轉化等方面的應用潛力。

以上研究得到了國家基金委自然科學基金、安徽省自然科學基金、中科院前沿科學重點項目等資助。

文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c08140

 
           

1. (a)-(d)制備的WO3-x納米片掃描電鏡、透射電鏡和能譜表征結果;(e) WO3-x納米片及其對照樣品的光學吸收譜;(f) WO3-x納米片對甲基橙的光催化降解;(g)不同捕獲劑對催化效率的影響。

                   圖2. WO3-x納米片催化降解甲基橙機制示意圖

                                 

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