JPhysD编辑优选：局域等离子体共振增强异质结光催化活性:从物理效应到光催化应用

图1. 不同金属-半导体局域等离子体共振效应示意图。

论文作者中国地质大学（武汉）芦露华教授，淮北师范大学代凯教授以及西交利物浦大学Graham Dawson教授从材料物理角度出发系统的分析了贵金属纳米颗粒尺寸，形貌以及复合界面对等离子体共振效应实现的影响，并介绍了实现上述颗粒尺寸，形貌异界复合界面的材料合成途径以及调控方法。

在此基础之上，论文作者从三个应用领域梳理了局域等离子共振效应在增强光催化活性方面的研究进展。有机和无机污染物降解是光催化剂最成功的商业化应用。论文作者在前期的研究工作中通过利用银纳米颗粒和石墨相氮化碳以及钨酸银构建三元异质结复合材料。银纳米颗粒与两种半导体材料构成局域等离子体共振增强等离子体双半导体-金属异质结界面，通过强化表面光激发电子转移，极大的提高了光催化降解有机污染物的催化活性（如图2所示）。

图2. 银纳米颗粒/石墨相氮化碳/钨酸银三元异质结复合材料光催化增强机理示意图。

贵金属纳米颗粒的局域等离子体共振能够有效提高电子的反应活性，且贵金属纳米颗粒与半导体之间的距离会影响激发电子空穴的光波长，如果能有效利用长波长光辐射则能够进一步提高半导体催化剂的催化活性，这对于人工光合成领域光激发电子参与的诸多反应，如光催化产过氧化氢，光催化二氧化碳还原以及光催化产氢活性提高极为有利。综述介绍了Liang等人通过乙二醇吸附形成空间分隔层调控银纳米颗粒与二氧化钛的距离，从而调制其光吸收波长，最终实现可见光相应的异质结光催化产氢活性（如图3所示）。

图3.乙二醇作为空间分隔层提高银局域等离子体共振增强光催化产氢活性示意图。

近几年来，光催化灭活有害微生物技术逐渐走入研究者的视野，尤其是新冠疫情爆发后，相关研究工作引起了国际广泛关注。论文作者在此领域亦开展了应用技术研究。在该领域，局域等离子体共振增强的基础还较少，但所表现出的微生物灭活效果远高于其它半导体光催化剂，部分研究者认为银纳米颗粒增强热电子激发在灭活微生物过程中起到了重要作用（如图4所示）。但论文作者也引用了其它研究者的工作，指出催化反应过程可能释放的银离子对微生物灭活亦可能产生了协同贡献。总而言之，基于贵金属，尤其是银纳米颗粒等离子体共振增强的半导体光催化剂在有效灭活微生物方面已表现出了优异的活性，有必要系统深入的研究其微生物灭活机理为后续指导催化剂的设计提供更坚实的实验和理论依据。

图4. 溴化银/银/石墨烯复合催化剂灭活大肠杆菌机理示意图。

研究背景：

自1972年Fujishima等人发现二氧化钛的光催化活性以来，半导体光催化剂在人工光合成，污染物降解以及有害微生物灭火方面展现了其独特的作用。但是光催化剂的光利用效率低下严重限制了其广泛应用。导致这一问题的原因是多方面，包括：半导体带隙宽度与光激发电子和空穴反应活性之间的矛盾，光激发电子和空穴在半导体内部和表面复合对催化活性的严重制约以及半导体表面结构对催化反应活性以及选择性的影响。虽然几十年来科研工作者针对上述问题提出了诸多解决方案，包括：半导体-半导体异质结界面构筑，纳米化加工技术增强表面暴露，表面缺陷位点控制等一系列手段，但是往往要面对顾此失彼的窘境。

芦露华  教授

中国地质大学（武汉）

• 芦露华，教授，2004年获得武汉理工大学学士学位，2010年获得中国科学院博士学位（导师：刘云圻院士/陈韦研究员）并获得中科院院长奖，2014年任中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授。近十年主要围绕功能纳米材料在清洁能源，污染物降解以及有害微生物灭活领域开展应用基础研究工作。2010年至今在Advanced Materials, ACS Nano, Nano Energy,Journal of Physics D: Applied Physic, Carbon等国际期刊出版物发表学术论文80余篇，常年担任ACS,RSC,Wiley,IOP以及Elsevier等出版社期刊审稿人。