通過人造材料，進(jìn)行與自然界光合作用相似的化學(xué)反應(yīng)，利用陽光、二氧化碳和水生成人類所需物質(zhì)，是長期以來的夢想。然而，這種人工光合成體系進(jìn)行應(yīng)用嘗試時，面臨挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于如何利用太陽光中低能量的光子。紅外光是太陽光譜中典型的低能光子，在太陽光譜中占比達(dá)53%。通常的半導(dǎo)體光催化技術(shù)只能利用紫外區(qū)和可見區(qū)的光子來驅(qū)動化學(xué)轉(zhuǎn)化，制約了太陽能利用效率。近年來，國際上的等離激元催化研究團(tuán)隊提出利用金屬納米材料的等離激元效應(yīng)來驅(qū)動催化反應(yīng)的思路，以期解決半導(dǎo)體光催化的瓶頸。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地利用到催化反應(yīng)中，導(dǎo)致化學(xué)轉(zhuǎn)化活性很低。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授熊宇杰研究團(tuán)隊針對等離激元催化的機(jī)制問題，開展了近十年的研究（Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 3205；Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 2425；J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6822；J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7807；Adv. Mater. 2022, 34, 2202367）。近日，熊宇杰/龍冉研究團(tuán)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(jī)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(qiáng)度光，甲烷產(chǎn)率達(dá)0.55 mmol/g/h，碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)物選擇性達(dá)100%，是目前光驅(qū)動二氧化碳資源化利用的最高紀(jì)錄。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nat. Commun. 2023, 14, 221）。
該團(tuán)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。研究通過一系列工況條件下的譜學(xué)表征，發(fā)現(xiàn)在等離激元的局域電場增強(qiáng)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?；谠撟饔脵C(jī)制，所設(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，該團(tuán)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。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金國家杰出青年科學(xué)基金項目/優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。天津大學(xué)、安徽師范大學(xué)、合肥光源等的課題組參與研究。
中國科大在紅外人工光合成領(lǐng)域取得進(jìn)展
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