中山大学芮泽宝教授团队：I&EC Research|由等离子共振金属激元桥连III型异质结的桥式(Type B)异质结光热催化剂

原创 ACS Publications ACS美国化学会

英文原题: Plasmonic Metal Bridge Leading Type III Heterojunctions to Robust Type B Photothermocatalysts

通讯作者：芮泽宝，中山大学化学工程与技术学院

作者：Jingwei Li (黎景卫), Jiayi Chen (陈佳怡), Hongli Fang (方红莉), Xiaomin Guo (郭小敏)

构建多组分或多相半导体异质结复合材料是提升光/光热/光电环境与能源催化中光利用效率的重要途径。目前所报道的Type II型、Z型和S型等主流异质结材料都要求半导体之间的能隙存在交错。然而，能隙交错类异质结的组分界面间的载流子的迁移与分离导致光响应范围和氧化还原电位两者间形成相互制约的竞争关系，限制了半导体异质结催化材料的选用范围和性能提升。另一大类能隙分裂类的Type III型异质结虽可同时获得宽光响应范围和高氧化还原电位，但由于组分间带隙不交错，难于形成有效的相间光致电荷传递与分离，也鲜有应用。

图1. Type B型异质结WO₃/Ag/GdCrO₃在光热条件下的电荷分离和反应机理示意图。

针对以上技术难题，中山大学化学工程与技术学院芮泽宝教授课题组提出了通过在能隙分裂异质结半导体间引入在光激发下产生局域表面等离子体共振（LSPR）效应的激元作为光生电荷传递的桥，构筑新型桥式（Type B型）异质结构的新型异质结光催化材料的设计思路，实现了在不牺牲能隙分裂类半导体的氧化还原电位和宽光响应范围的情况下光生电荷的有效传递和分离，并成功构筑了系列基于能隙分裂异质结的Type B型异质结催化剂。如图1所示，在所构筑的Type B型WO₃/Ag/GdCrO₃异质结中，等离子共振激元金属桥在一定的光热协同激发下产生可克服能隙分裂异质界面势垒的高能热电子-空穴对，为界面电荷的传递和分离开启光热等离子共振辅助传输通道（PTPRT），可以选择性地复合高还原电位半导体的光生空穴和高氧化电位半导体的光生电子。因此，所构筑的Type B型异质材料WO₃/Ag/GdCrO₃同时获得了高氧化还原能力、宽光谱响应范围和高光生电子/空穴对分离效率，展示出优异的光热协同催化降解甲苯等VOCs（图2）和还原CO₂（图3）的反应性能。

图2. Type B型异质结WO₃/Ag/GdCrO₃光热催化净化VOCs性能。

图3. Type B型异质结WO₃/Ag/GdCrO₃光热催化还原CO₂性能。

为了进一步阐明等离子共振金属激元桥在Type B型异质结中的作用和验证所提出的Type B型异质材料构筑策略的普适性，课题组通过在具有不同界面能垒（E_b）的半导体异质结中引入Ag纳米颗粒桥，构筑了Z型异质结Bi₂WO₆/Ag/GdCrO₃ (E_b=-0.05 V) 异质结和Type B型异质结CuWO₄/Ag/GdCrO₃(E_b= 0.02 V), WO₃/Ag/GdCrO₃(E_b=0.12 V)和Bi₂WO_6-xF_2x/Ag/GdCrO₃(E_b= 0.30 V)。研究表明，通过调控等离子体共振基元桥的LSPR强度，可实现对不同能隙分裂势能高度的Type III型异质结的桥连，构筑Type B型异质结光/光热催化材料（图4）。

图4. 等离子共振金属激元的LSPR强度与其桥连半导体组合界面分离能垒的关系。

总之，所提出的Type B型异质结的概念和设计思路突破了传统异质结材料各项性能指标相互制约的技术难题，可同时获得了高氧化还原能力、宽光谱响应范围和高光生电子/空穴对分离效率，有望在光/光热/光电环境与能源催化技术、光电阴保防腐技术等涉光领域得到推广应用。然而，Type B型异质结作为新型异质体系，还有很多科学问题需要科学工作者们去探索与阐明，特别注意的是它并不局限于应用等离子共振金属激元桥连能隙分裂的半导体以促进电荷分离与传递，其他的桥连方式亦需要去分析与研究。

扫描二维码阅读英文原文

Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 23, 8420-8429

Publication Date: June 4, 2021

https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01198

点击“阅读原文”

你“在看”我吗？

继续滑动看下一个