表面等离子体增强的电催化二氧化碳(CO2)还原提供了一种超越传统电催化方法的全新维度,它通过优化光能利用来简化电催化反应器的设计,并提高反应活性/选择性。然而,复杂多重等离子体效应对CO2还原反应的协同调节机制,尤其是在电化学偏压下的情况,仍需深入研究。
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基于此,中国科学技术大学熊宇杰教授、龙冉教授和胡灿宇副研究员(共同通讯作者)等人报道了利用具有显著等离子体响应的铜纳米立方体(Cu NCs)作为工作电极进行实验。通过原位光谱表征技术,作者监测了在交替光照/黑暗条件下分子层面的关键中间强度和构型的循环变化,揭示了等离子体诱导的CO2分子转化以及关键中间吸附构型的结构演变。
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通过电化学实验和密度泛函理论(DFT)计算,作者研究了等离子体能带中的能量载流子的存在以及光热效应,及其在促进从*CO桥式吸附模式(*CObridge)转变为*CO顶式吸附模式(*COatop)以及降低C-C键合能量障碍方面的协同作用。电催化实验证实,等离子体光激发显著促进了CO2的转化,并在广泛的电位范围内提高了对高价值C2产物的选择性。
最后,全面的电化学系统评估了波长、光强度和温度的依赖性,证实了产物的定向转化确实归因于等离子体热载流子与光热效应之间的协同作用,这种效果是单纯的热调节所无法实现的。在对CO2还原反应中的等离子体调制机制有清晰的认识后,其获得了卓越的催化性能,C2产物的法拉第效率(FE)达到87%。本研究阐明了等离子体热载流子与光热效应协同作用实现定向分子转化的机制。
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Enhancing C2 Selectivity in Electrocatalytic CO2 Reduction Via Synergy of Plasmonic Hot Electrons and Photothermal Effect. Angew. Chem. Int. Ed.,2025, https://doi.org/10.1002/anie.202515432.
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