發現等離激元光催化劑電荷分離的偏振效應

2020-09-03 今日科學

本報訊（記者劉萬生 通訊員高玉英）近日，中科院大連化學物理研究所李燦院士、範峰滔研究員團隊在表面等離激元光催化界面電荷分離研究上取得新進展，揭示了催化位點的電荷濃度與偏振角度的定量關係。相關研究成果發表在《德國應用化學》上。

金屬納米顆粒表面等離激元具有獨特的光學性質，在分析科學、納米材料、光電子學特別是太陽燃料合成領域廣受關注，然而，等離激元載流子壽命一般較短，很難與較慢的化學反應時間尺度相匹配。如何在界面上有效分離等離激元電荷並轉移到反應位點，成為這一領域的關鍵科學問題。

研究人員之前利用自主研發的空間分辨的表面光電壓顯微鏡給出了可視化圖像，發現表面等離激元空穴局域在Au/TiO2界面上。近日，在金納米顆粒二聚體中，他們發現，耦合效應介導的等離激元電荷在納腔的聚集現象顯著促進多質子參與的水氧化反應活性。在該研究中，他們發現了表面等離激元光催化劑電荷分離的偏振效應。

通過改變入射光偏振角度，研究人員研究了催化位點局域的電荷濃度，得到最優的電荷分離偏振角度，當入射光的偏振角度垂直於光催化劑Au顆粒/TiO2界面時，表面光電壓信號最大，電荷界面注入效率最高。結合角度分辨的散射光譜和理論模擬，他們初步探討了電荷濃度偏振依賴性的內在原因，並利用水氧化催化反應作為探針反應，確認了偏振效應對催化活性的影響。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202007706

相關焦點

  • 大連化物所發現等離激元光催化劑電荷分離的偏振效應
    近日，中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員李燦，研究員範峰滔團隊在表面等離激元光催化界面電荷分離研究中取得新進展，揭示催化位點的電荷濃度與偏振角度的定量關係。金屬納米顆粒表面等離激元具有獨特的光學性質，如特定波段光吸收、光場局域效應等，在分析科學、納米材料、光電子學特別是太陽燃料合成領域受到關注。
  • 表面等離激元光柵在高靈敏紅外探測器中的應用
    圖1 紅外物理學奠基人（圖片來自於網絡） 近年來，由於表面等離激元光子學的興起，紅外探測技術從傳統的遠場範疇被快速推進到近場範疇，人們報導了利用等離激元對於光的近場耦合引發了很強的紅外探測增強效應
  • 綜述| 超平整低損耗的表面等離激元貴金屬薄膜
    電磁理論認為，表面增強拉曼散射效應來源於光子在金屬納米結構的表面激發了局域等離激元共振，光場因被集中到金屬表面而得到成千上萬倍的強度增強，從而有效地增強了拉曼散射的激發與發射過程。而化學理論認為該現象來源於電荷轉移絡合物的形成。
  • 高對稱性光催化劑晶面間電荷分離研究獲進展
    大連化物所高對稱性光催化劑晶面間電荷分離研究取得進展 光生電荷分離是太陽能光催化研究的關鍵科學問題之一。大連化物所李燦團隊長期致力於太陽能光催化轉化中的光生電荷分離的科學問題研究，相繼在國際上提出「異相結」和「晶面間電荷分離」促進光生電荷分離的策略（Nature Commun., 2013，4, 1432；Energy Environ. Sci., 2014, 7,1369；Eur. Chem.
  • 科研進展丨固體所在等離激元熱電子應用於傳感光探測太陽能轉化方面發表綜述
    該綜述系統討論了等離激元熱電子的產生、轉移、時間尺度、表徵等基本科學問題，著重介紹了等離激元熱電子在生物/化學傳感、光電探測、光催化、光電化學、光伏等領域的應用和重要進展，並歸納總結了基於等離激元效應的器件設計原理，為構建基於表面等離激元增強效應的高性能器件和發展相關應用技術提供重要指導作用。圖1.  該綜述被選為期刊的「Featured」和外封面文章。
  • 非金屬高性能等離激元效應實現
    中安在線、中安新聞客戶端訊 記者12月16日從中科大獲悉，該校教授羅毅、張群、江俊團隊在基於金屬氧化物半導體材料的等離激元學研究方面取得突破性進展，他們採用最新發展的「電子-質子協同摻氫」策略，實現類金屬的超高自由載流子濃度，從而獲得了強且可調的等離激元效應。
  • 局域表面等離激元增強紅外吸收
    在金屬或高摻雜半導體納米材料表面局域電場有很大的增強，當分子振動和表面等離激元發生耦合共振時，分子振動信號會被極大增強，即為表面等離激元增強紅外吸收效應（surface-enhanced infrared absorption，SEIRA）。
  • 實現非金屬高性能等離激元效應
    本報訊（通訊員桂運安）中國科學技術大學教授羅毅、張群、江俊團隊在基於金屬氧化物半導體材料的等離激元學研究上取得突破性進展，他們採用最新發展的「電子—質子協同摻氫」策略，實現類金屬超高自由載流子濃度，從而獲得了強且可調的等離激元效應。該成果近日發表於《先進材料》。
  • 光催化劑晶面間電荷分離研究獲進展—新聞—科學網
    中科院大連化物所
  • 表面等離激元光催化水分解機理研究取得新進展—新聞—科學網
  • 田中群院士團隊Matter:等離激元介導化學反應的研究進展和展望
    此外，本文還預測了推動這一領域向前發展所面臨的機遇和挑戰，主要包括如何有效地提高PMCR的反應效率並利用表面等離激元調控反應的選擇性；如何分離研究表面等離激元多種效應對化學過程的影響。期待這一研究為實際應用學科帶來突破。相關結果發表在Cell Press期刊Matter上。
  • 科學家發現二維金屬中的等離激元
    理想情況下，等離激元有著易於激發且不易衰減的特性。在傳統材料如金、銀等金屬中，由於強烈的朗道阻尼效應和等離激元與聲子散射作用，等離激元有著較低的空間限域性與極高的傳播損失率。這些問題使等離激元在電子信息、催化能源及生物技術等方面的應用均受到限制。因此，製備和發現性能優異的量子材料，使其具有良好的等離激元特性成為材料應用領域的重要研究方向。
  • 表面等離激元調控非線性上轉換發光:多光子生物成像和螢光偏振技術
    表面等離激元調控非線性上轉換發光：多光子生物成像和螢光偏振技術然而，上轉換納米晶的量子效率一般都很低（低於1%），嚴重阻礙了它們的實際應用。為了克服這種缺陷，科學家們研發了眾多的物理和化學手段來提升它們的吸收和發光效率。比較常見的有表面鈍化，調控能量轉移，改變宿主晶格結構等方法。最近，人們發現亞波長貴金屬納米結構產生的表面等離激元可以有效的提升鑭族離子的吸收截面和輻射躍遷速率，同時還有可能影響上轉換納米晶的螢光偏振特性。
  • 表面等離激元超表面光學奇點解調
    深圳大學納米光子學研究中心Mike Somekh院士、袁小聰教授科研團隊首次設計並實現了基於自旋-霍爾超表面的非對稱光柵表面等離激元（SPP）激源晶片，成功應用於入射光場的相位奇點和偏振奇點的同時測量。該方法為基於光學奇點的下一代光通訊與調控晶片技術發展提供了新方案。
  • 化學所利用激子-表面等離激元耦合效應實現光子信號操縱
    光子學器件具有電子學器件無法比擬的高速、高帶寬和低能耗等優點，在光信息處理和光子學計算中扮演著非常重要的角色。中科院化學研究所光化學院重點實驗室的科研人員近年來一直致力於低維有機光子學方面的研究（Acc. Chem. Res.，2010，43，409-418，Adv. Funct.
  • 綜述 | 新型等離激元光學和過渡金屬二硫化物複合體系
    表面等離激元可以分為表面等離極化激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP）和局域表面等離激元（Localized Surface Plasmons，LSP）。SPP是存在於金屬和介質界面上的自由電子電荷密度波與電磁波的耦合形成的集體激發。
  • 科學家揭示極性誘導的空間電荷分離促進光催化全分解水
    ：發現極性誘導的表面電場有效促進了光生電荷的空間分離，並大幅提升光催化全分解水的活性。本工作中，研究人員選取代表性半導體氮化鎵（GaN）作為模型，採用金屬有機氣相沉積方法製備了具有明確表面極性特徵的氮化鎵納米棒陣列結構，陣列結構分別暴露頂端的極性面和垂直側向的非極性面，研究發現GaN納米陣列結構的極性和非極性面之間表現出明顯的光生電荷分離特性，光生電子選擇性地聚集在納米棒的非極性面，而光生空穴則聚集在極性面。
  • 高對稱性光催化劑晶面間電荷分離研究取得進展—新聞—科學網
    記者劉萬生 通訊員李仁貴、慕林超  6月28日，中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室、潔淨能源國家實驗室（籌）李燦院士、慕林超、李仁貴等帶領團隊，在太陽能光催化的光生電荷分離研究中取得進展
  • 中國科大在量子輸運、量子等離激元研究領域取得重要新進展
    ，發現電子-等離激元耦合對石墨烯電子輸運過程中的量子相干性有極大的增強效應，並實現氧化物界面二維電子氣自旋軌道耦合的光學調控。 在固體中運動的電子與不同準粒子（聲子、極化子等等）之間的多體耦合作用會導致一系列重要的物理效應。例如，電子-聲子相互作用可以使自旋相反的電子形成庫珀對從而引發超導。另一方面，等離激元是大量電子集體相干振蕩形成的準粒子。近年來等離激元的量子特性陸續被發現，例如，以往的實驗揭示量子糾纏在經歷了從光子到等離激元再到光子的轉化過程後仍然得以保持。