【摘要】 苏州大学团队在《Nature Communications》发表创新研究成果，通过"选择性屏蔽"策略成功实现等离激元光催化机制的识别与定量解析。科学指南针为研究提供FDTD模拟、XPS分析等表征技术支持，助力催化剂设计优化。

苏州大学研究团队在《Nature Communications》发表重要研究成果，提出"选择性屏蔽"策略成功实现等离激元光催化机制的识别与定量解析。该研究为等离激元光催化剂设计提供重要理论指导，科学指南针为研究提供部分表征技术支持。

 

研究背景与等离激元催化挑战

等离激元光催化作为多相催化新兴分支，利用局域表面等离激元共振（LSPR）效应将太阳能转化为化学能，在二氧化碳、水等催化转化领域应用前景广阔。然而，该领域存在多重科学挑战：

​机制解析核心难题：​​

  • 等离激元非辐射弛豫驱动多种机制可能共存并共同作用

  • 热效应与非热效应难以准确区分和量化

  • 催化剂表面温度测量不准确增加分析复杂性

  • 等离激元电荷与能量转移机制间存在复杂协同作用

传统研究方法在区分和量化热与非热效应、以及不同非热路径之间的贡献方面面临巨大挑战，亟需创新策略突破瓶颈。

 

创新方法：选择性屏蔽策略突破

研究团队提出高度普适的"选择性屏蔽"策略，以原型Au-[Fe(bpy)₃]²⁺等离激元催化剂为模型体系，成功实现对多种非热反应路径的精准解析。

​技术突破要点：​​

  • 通过连接方式从导电层改为绝缘层，选择性屏蔽电荷传输机制

  • 调整等离激元天线与反应器组件间共振条件，控制能量转移路径

  • 采用原位拉曼纳米测温技术对热效应贡献进行精确校准

  • 实现对不同催化环境下主导机制的定量识别

该策略有效解决了等离激元光催化中机制共存带来的解析难题，为后续设计提供新思路。

 

催化剂设计与结构表征

研究构建以Au纳米颗粒为天线、[Fe(bpy)₃]²⁺为催化组分的典型等离激元天线-反应器纳米催化剂，通过两种连接方式实现机制控制。

​结构设计验证：​​

  • 采用巯基化聚乙二醇连接剂（HS-PEG-COOH）实现电荷和能量双路径传输

  • 使用二氧化硅纳米壳连接仅保留能量转移机制

  • Au的LSPR与[Fe(bpy)₃]²⁺分子内金属-配体电荷转移吸收特征产生共振协同增强

 

能量与电荷转移机制解析

通过光物理化学表征和理论模拟，系统验证等离激元能量和电荷转移机制的存在与作用方式。

​机制验证发现：​​

  • 有限差分时域模拟显示从Au到[Fe(bpy)₃]²⁺的共振能量转移

  • 原位X射线吸收精细结构光谱直接证明等离子体电荷转移过程

  • 稳态光致发光光谱证实Au等离子体阻尼促进[Fe(bpy)₃]²⁺光激发态能量提升

 

催化性能与机制关联分析

以水分解的析氢和析氧半反应为测试体系，评估催化性能并建立机制-性能关联。

​性能表现特征：​​

  • 析氢反应中展现高电流密度、强光响应和良好稳定性

  • 析氧反应中表现与析氢反应相反的光电流趋势

  • 光调制光电流响应测量揭示非热效应在析氢反应中占主导地位

 

机制区分与屏蔽验证

通过绝缘层设计选择性屏蔽电荷传输路径，验证不同机制的可控性。

​屏蔽效果证实：​​

  • SiO₂绝缘层有效隔绝界面电荷转移，保留能量转移机制

  • 原位辐照XPS和拉曼表征显示光照前后峰位置无变化

  • 不同连接方式下催化性能差异证实机制分离有效性

 

定量分析与机制贡献量化

通过对比不同修饰催化剂性能，实现对各机制贡献的精确量化。

​量化结果揭示：​​

  • 析氢反应中等离激元电荷载流子诱导的光化学贡献占57.2±8.4%

  • 析氧反应中共振能量转移介导的光催化途径贡献达53.9±1.6%

  • 不同催化剂类型、尺寸和负载量下各机制贡献差异显著

 

研究价值与应用前景

本研究发展的"选择性屏蔽"策略为等离激元光催化机制理解提供定量依据，具有重要理论指导价值。

​创新贡献总结：​​

  • 首次实现多种非热反应路径的精准区分与量化

  • 明确不同化学环境下主导机制的差异性规律

  • 为针对特定反应类型的等离激元光催化剂设计提供普适性指导原则

  • 推动等离激元催化从基础研究向实际应用迈进

论文信息：Nature Communications, 2025
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57569-0

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