光催化一直是一個活躍的研究領(lǐng)域，但是其發(fā)展受到兩個因素的影響。其一，光催化反應(yīng)中必須有足夠的能量驅(qū)動半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子，這浪費(fèi)大量來自陽光的能量，并降低整個過程的效率；其二，反應(yīng)效率與光照強(qiáng)度和溫度負(fù)相關(guān)，在高溫和高強(qiáng)度光照射下，光生電子-空穴對的壽命往往較短，從而降低了整體的光催化效率。目前，等離子體催化有望解決這些問題，其中等離子體金屬納米顆?？梢晕展獠a(chǎn)生熱載流子來加速化學(xué)反應(yīng)。與傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體的光催化相比，等離子體催化在高溫、高光強(qiáng)下具有更高的催化效率。
然而，等離子體催化的研究領(lǐng)域仍然存在爭論，其中最激烈的爭論之一是關(guān)于熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的相對重要性，能夠分離等離子體催化中的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)是理解反應(yīng)機(jī)理的一個重要步驟。然而，目前仍缺乏適當(dāng)描述熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的總體光效能的評價標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致無法在不同反應(yīng)和反應(yīng)堆系統(tǒng)之間進(jìn)行結(jié)論比較。近日，杜克大學(xué)劉杰課題組提出了一個指數(shù)?整體光有效性(OLE)，以評價評價等離子體光催化的整體光效應(yīng)。具體而言，研究人員采用了一種從整體光效應(yīng)中提取非熱效應(yīng)的簡便而通用的方法，解開了熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)之間的復(fù)雜關(guān)系。研究結(jié)果表明，在Rh/TiO2催化CO2加氫反應(yīng)中，非熱效應(yīng)是光照強(qiáng)度和溫度的函數(shù)，而熱效應(yīng)更為復(fù)雜，是光照強(qiáng)度、溫度和催化劑厚度的函數(shù)。因此，總是有一個最佳的加熱和光照明組合，以實(shí)現(xiàn)最大的整體光效。對于所構(gòu)建的特定的反應(yīng)器-反應(yīng)系統(tǒng)，在0.67 W cm?2的光強(qiáng)和325 °C的設(shè)定溫度下，可以在反應(yīng)器中使用20 mg的催化劑獲得最大的OLE。此外，OLE和觀察到的趨勢還可以推廣到其他涉及等離子體催化的反應(yīng)體系。研究人員測量了Rh/TiO2在寬帶白光下的CO2還原反應(yīng)，并與紫外光進(jìn)行了比較。由于Rh NP在白光下的等離激元效應(yīng)較弱，而在高光強(qiáng)下非熱效應(yīng)占主導(dǎo)地位，盡管OLE在高光強(qiáng)下較低，其計算結(jié)果顯示了一個類似于在紫外光下觀察到的趨勢。這一結(jié)果表明OLE也可以應(yīng)用于寬帶等離子體催化劑。總的來說，該項(xiàng)工作證明，通過添加太陽能熱吸收材料到等離子體催化劑，整體光效能可以提高超過純催化劑，其不僅克服了傳統(tǒng)光催化的局限性，并使得設(shè)計能夠利用太陽光全光譜能量以強(qiáng)化重要化學(xué)反應(yīng)的等離子體催化劑成為可能。Achieving Maximum Overall Light Enhancement in Plasmonic Catalysis by Combining Thermal and Non-thermal Effects. Nature Catalysis, 2023. DOI: 10.1038/s41929-023-01045-9
