Adv. Funct. Mater. ：各向异性Ag2S-Au三角纳米棱柱用于等离子体可见/近红外光催化制氢

【引言】

具有表面等离子体共振(SPR)的贵金属纳米颗粒(NPs)与半导体复合形成的等离子体光催化剂，由于其强烈的可见/近红外光响应和高效的电荷分离，吸引了众多研究人员的关注。等离子体光催化机理一般认为是入射光激发等离子体金属的自由电子形成转移到半导体的热电子以生成氢气，而空穴保留于金属进行氧化反应。等离子体光催化剂的性能很大程度上取决于金属粒子的结构和组成。由于SPR诱导的电子-空穴对复合速率较快，构筑异质结(半导体/金属)能够促进半导体和金属之间的等离子体热电子转移，提升光催化制氢性能。然而，半导体和金属之间的复合方式对于等离子体光催化剂的性能至关重要。

【成果简介】

近日，日本大阪大学Tetsuro Majima教授、暨南大学李宝军教授(共同通讯作者)等通过控制Ag₂S的选择性增生，制备了各向异性的Ag₂S外延Au-三角纳米棱柱(TNPs)作为等离子体光催化剂用于光催化制氢，并在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“Anisotropic Ag₂S–Au Triangular Nanoprisms with Desired Configuration for Plasmonic Photocatalytic Hydrogen Generation in Visible/Near-Infrared Region”的研究论文。在可见光和近红外光照射下，Ag₂S外延Au-TNPs的制氢速率(796 μmol·h^-1·g^-1)相比Ag₂S包覆Au-TNPs(216 μmol·h^-1·g^-1)和纯Au-TNPs高出近4倍。单粒子光致发光研究表明等离子体诱导的热电子由Au-TNPs向Ag₂S转移进而用于产氢。

【图文简介】

图1 催化剂的形貌表征

a-c) Au/Ag-TNPs(核/壳)、Ag₂S包覆Au-TNPs和Ag₂S外延Au-TNPs的TEM图像；

d) Au/Ag-TNPs(核/壳)、Ag₂S包覆Au-TNPs和Ag₂S外延Au-TNPs的可见-近红外吸收光谱。

图2 Ag₂S外延Au-TNPs的形貌和元素分析

a,f) Ag₂S外延Au-TNPs的TEM图像；

b) Ag₂S外延Au-TNPs的HAABF-TEM图像；

c) Ag₂S外延Au-TNPs的HAADF-TEM图像；

d,e) Ag₂S外延Au-TNPs的HRTEM图像；

g-i) Ag₂S外延Au-TNPs的元素分布；

j) 单颗粒Ag₂S外延Au-TNP的EDS线扫。

图3 硝酸银加入量对Ag₂S外延Au-TNPs形貌和光吸收的影响

a-c) 不同硝酸银(20 × 10^-3M)加入量(10、20和30 μL)的Ag₂S外延Au-TNPs的TEM图像；
d) 上述样品的吸收光谱。

图4 硫源反应时间对Ag₂S外延Au-TNPs形貌和光吸收的影响

a-e) 与硫源反应不同时间(1-5 d)的Ag₂S外延Au-TNPs的TEM图像；

f) 上述样品的吸收光谱；

g) Ag₂S在Au-TNPs上各向异性生长机理示意图。

图5 Ag₂S外延Au-TNPs的光催化制氢性能

a,b) Ag₂S包覆、Ag₂S外延、纯Au-TNPs和Ag₂S作为等离子体光催化剂在可见-近红外(λ>420 nm)光照下的制氢活性和速率；

c) Ag₂S外延Au-TNPs的光催化制氢表观量子效率和吸收光谱；

d) 不同生长时间Ag₂S外延 Au-TNPs样品的光催化制氢速率。

图6 催化剂的单颗粒稳态荧光

a,c) Au-TNP和Ag₂S外延 Au-TNP的单颗粒PL图像；

b,d) Au-TNP和Ag₂S外延 Au-TNP的单颗粒PL光谱。

图7 Ag₂S外延Au-TNPs光催化制氢机理

Ag₂S外延Au-TNPs光催化制氢机理示意图。

【小结】

研究人员通过控制Ag₂S在Au-TNP边缘的选择性增生，制备了各向异性的Ag₂S外延Au-TNPs，作为等离子体光催化剂用于近红外光催化制氢，其制氢速率是Ag₂S包覆Au-TNPs的近4倍。单粒子光致发光研究表明等离子体诱导的热电子由Au-TNPs向Ag₂S转移为进而用于产氢，多极表面等离子体共振(MSPR)和偶极表面等离子体共振(DSPR)是SPR PL淬灭和电荷分离的渠道。时域有限差分(FDTD)计算和实验结果表明，各向异性Ag₂S外延Au-TNPs能够促进SPR诱导热电子转移和电荷分离以进行高效光催化制氢。

文献链接：Anisotropic Ag₂S–Au Triangular Nanoprisms with Desired Configuration for Plasmonic Photocatalytic Hydrogen Generation in Visible/Near-Infrared Region(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706969)

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