等离子体光催化剂可调变界面的构筑及其光催化性能

Plasmonic photocatalyst has attracted great attentions and developed rapidly since 2008. They are able to not only “sensitize” semiconductors with a wide band gap to the visible light region as well as tune light absorption peak from visible to near-infrared light region, but also improve photocatalytic conversion efficiency efficiently. However, a challenge facing Plasmonic photacatalyst is how to utilize Surface Plasmon Resonance effect in an efficient and highly reproducible way. A crucial key to solving this problem is to control SPR’s effective electric field strength which the semiconductor is capable of sensing because SPR’s field is very short only tens of nm and decays exponentially with the distance. In viewing this, we propose a method in which molecular monolayer interface with adjustable thickness and conductance between the semiconductor and the metal is introduced. By doing so, not only thickness control with rough 1 nm precision but also a transition from insulating to conductive interface can be realized. Consequently, our method provides a novel way being able to control SPR enhancement and carriers transfer path for photocatalysis and help find potential new insights on SPR-enhancement mechanisms for photocatalysis.

等离子体光催化剂（Plasmonic photocatalyst）从2008年以来开始受到关注并得到迅速发展, 它具有可见光响应、波长可从可见光到近红外光调变、提高催化转化效率等优点。但等离子体光催化剂面临的挑战是如何高效、稳定地利用表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）效应，其关键的科学问题是半导体所能感应到的金属SPR电场强度的精确调控，因为电场的有效距离只有十几纳米且随距离呈指数关系衰减。本申请提出在半导体和金属之间构筑具有不同长度、结构的单分子层界面，通过调变分子链长度实现间距的精确调控；同时，又可通过分子的共轭结构、链长度实现从绝缘型到导电型界面的调变，具有双调控的优点。该申请为系统地研究等离子体界面调控光催化效率和载流子迁移路径提供新的方法，以及对等离子体光催化增强机理通过界面调控提出可能的新认识。

等离子体光催化剂（Plasmonic photocatalyst）从2008年以来开始受到关注并得到迅速发展,具有可见光响应、宽光谱调变、催化活性增强等优点。但等离子体光催化剂面临的挑战是如何高效、稳定地利用表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）效应，其关键的科学问题是半导体所能感应到的金属SPR电场强度的精确调控，因为电场的有效距离只有十几纳米且随距离呈指数关系衰减。. 针对以上科学问题，本项目对Au/Cu2O等等离子体光催化剂，构筑可调变的界面，分别制备了一系列有机界面层（不同链长和结构的硫醇）、无机界面层（厚度可调控超薄碳膜），对界面厚度和导电性进行精准地调控，并系统地研究了界面调控对光催化性能的影响以及在光催化中的应用。通过系统地研究，得到以下结果。（1）提出等离子体电场“精准界面调控”思路，电场调控精度显著地提高到亚纳米尺度，使精准地利用等离子体电场成为可能。（2）创建绝缘界面层、导电界面层,实现不同效果。在界面引入绝缘有机界面层，发现该界面层可以起到区分电场效应和肖特基效应的作用；在界面引入导电无机界面层，发现该界面层可以显著地提高光催化性能。（3）发展表面协同增强策略，提高光催化活性和稳定性。结合等离子体效应和自身生长异质结CuO/Cu2O，显著地提高Cu2O光催化活性和稳定性，使表面调控策略得到了更为显著地提高。最后，通过理论模拟和实验验证，确定界面间距与等离子体光催化增强因子的定量指数关系，实现了申请书中提出的科学问题目标---半导体所能感应到的金属等离子电场强度的精确调控。等离子体光催化剂精确调控的界面策略，不仅显著地提高光催化剂的性能，而且有助于拓展其在光催化、传感器等前沿领域的潜在应用。