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等离激元光催化剂界面纳腔电荷聚集现象获揭示

      近日,中科院大连化物所院士李灿、研究员范峰滔团队利用自主研制的空间分辨的表面光电压显微镜,研究了二聚体金颗粒催化剂(Au/TiO2)的光生电荷分离及过程中电荷的空间分布,首次发现了二聚体金颗粒和半导体光催化剂界面纳腔的电荷聚集现象,揭示了催化剂反应位点上电荷浓度对多空穴参与的水氧化反应的影响。该发现借鉴了自然光合作用中捕光蛋白和活性中心的工作机制,为人工光合成体系的设计和理解提供了新思路。相关研究成果发表于《国家科学评论》。

 

      在自然光合作用中,PS II放氧活性中心周围分布着成千上百个捕光蛋白,其作用是通过增加光吸收通量为反应活性中心源源不断地供给电荷。研究人员通过光催化剂二氧化钛界面构筑金纳米颗粒二聚体来模拟自然光合作用的上述机制;利用空间分辨的表面光电压显微镜研究了二聚体金颗粒Au/TiO2催化剂体系中等离激元光生电荷的空间分布和电荷浓度,发现在二聚体金颗粒和TiO2催化剂构成的纳腔处有高浓度的空穴聚集;通过精确调控二聚体的分离间距,揭示了耦合强度对散射光谱和电荷浓度的非线性增强机制。此外,科研人员还结合理论模拟,分析了催化活性位点电荷浓度与局域电磁场强度的定量关系。相比于单个金颗粒Au/TiO2催化剂,二聚体金颗粒Au/TiO2催化剂的水氧化活性可以实现近一个数量级的提升。该工作在单颗粒水平上观察到等离激元光催化剂表面电荷分布的“热点”,并为催化活性位点的光生电荷调控提供了新思路。

 

      范峰滔介绍研究团队长期致力于太阳能光催化、光电催化、电催化以及催化光谱表征的前沿科学研究,取得了系列成果。特别在光生电荷分离等关键科学问题上突破性地发现异相结电荷分离机制晶面间光生电荷分离效应、高对称性半导体单晶的光生电荷分离策略,并自主研制了光生电荷成像表征新技术,在国际上最早将其应用到微纳尺度光催化材料电荷分离的成像研究中。(来源:中国科学报 刘万生 高玉英)

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