可调控且稳定的SrMoO_(4)等离激元共振用于增强的可见光驱动的氮还原

Tunable and stable localized surface plasmon resonance in SrMoO_(4) for enhanced visible light driven nitrogen reduction

光催化固氮是最具潜力的人工光合过程之一,也是有望取代工业Haber-Bosch方法实现氨的绿色合成的清洁能源技术之一.由于氮气分子还原为氨需要较高的还原电位,导致大部分常规的半导体材料的导带能级不能满足固氮反应的热力学要求.同时,固氮光催化剂普遍存在光响应波段窄、表面催化活性低、太阳光向氨的转化效率低等问题.缺陷工程是目前制备高效固氮光催化剂的最有效的途径之一.在催化剂中引入缺陷可以带来两个方面的好处:(1)促进氮气分子在缺陷位点上的化学吸附和活化,从而降低反应能垒;(2)拓宽催化剂的太阳光响应波段,提高对太阳光的利用效率.等离激元效应来自于自由载流子的集体振荡,广泛存在于金属纳米结构中.尽管金属等离激元纳米材料在光催化中也有广泛的应用,可以通过等离激元增强的光吸收和散射、热载流子传输以及等离激元共振能量传递等机理提高太阳能转化效率,但其能量转化效率仍有限,多用于弥补半导体材料的弱点.研究发现,一些半导体纳米材料在可见光和近红外光范围表现出优异的等离激元共振吸收.相比等离激元金属纳米材料,这些半导体的等离激元共振效应的调控手段更加丰富.等离激元半导体材料普遍具有较高的缺陷浓度、非常宽的光响应波段,因而是理想的固氮光催化剂.本文利用具有还原性的气氛处理溶剂热法制备的SrMoO_(4),通过引入高浓度的氧空位,实现了可调控的稳定的等离激元共振吸收.制备的SrMoO_(4)在可见光和近红外光范围具有强的等离激元吸收,其共振吸收峰的中心位置可从520调到815nm,显著拓宽了SrMoO_(4)的光响应波段,而样品的本征吸收边仍然位于310nm.研究发现,氢气还原没有改变Sr的氧化态,而是将Mo^(6+)还原成Mo^(5+)紫外光电子能谱分析结果表明,高温氢气处理没有改变SrMoO_(4)样品的导带和价带能级.电子顺磁共振研究结果表明,氢气处理在SrMoO_(4)中形成了大量的氧空位.Mott-Schottky测试结果发现,氢气处理后的样品的载流子浓度高达-2.0×1O^(20)cm^(-3).具有等离激元效应的SrMoO_(4)表现出优异的可见光固氮性能,相比不具有等离激元效应的SrMoO_(4),在入射光波长大于420 nm的可见光照射下,在氢气气氛中处理10 min,3,6和8 h的SrMoO_(4)样品的氨的产率分别为41.2,36.3,24.5和20.8μg g_(cat)^(-1)h^(-1)其增强光催化活性主要来源于更宽的太阳光吸收波段、等离激元激发产生的热载流子和丰富的缺陷活性位点.一方面,SrMoO_(4)具有较高的导带能级,本征激发形成的导带电子能在热力学上将氮气分子还原为氨;另一方面,等离激元激发产生的热载流子具有较高的能量,能够越过固液界面的肖特基能垒,将吸附在催化剂表面缺陷处的氮气分子还原为氨.但是,尽管缺陷在光催化固氮中展现出多方面的优点,其在半导体中的浓度仍需进一步的优化.

Photocatalytic nitrogen reduction for the green synthesis of ammonia at ambient conditions has been slowed by the narrow light harvesting range,low activity and high charge recombination of photocatalysts.Plasmonic semiconducting nanomaterials are becoming the promising candidates for nitrogen photofixation because of the broad absorption spectrum,rich defects and hot carriers.In the present study,plasmonic SrMoO_(4) is developed by regulating the concentration of oxygen vacancies that are accompanied in the reduction process from Mo^(6+) to Mo^(5+).The stable and tunable localized surface plasmon resonance(LSPR)absorption in visible and near infrared light range makes the wide bandgap SrMoO_(4) utilize the solar energy more efficiently.Energetic electrons from both the intrinsic band excitation and the LSPR excitation enable the reduction of dinitrogen molecules thermodynamically in ultrapure water to ammonia.This work provides a unique clue to design efficient photocatalysts for nitrogen fixation.