Small: 基于 TiO2 和贵金属纳米粒子的等离子体光催化用于能量转换、环境修复和有机合成的最新进展
雨辰
等离子体光催化已成为一个突出且不断发展的领域。它能够有效利用阳光作为一种丰富的可再生能源来驱动无数的化学反应。例如，由TiO2和等离子体纳米粒子(NPs)组成的材料中的等离子体光催化可以有效地分离电荷载流子，并可调谐较长波长区域(可见光和近红外)的光学响应。事实上，基于 TiO2 的材料和等离子体效应处于多相光催化的前沿，可应用于能量转换、液体燃料生产、废水处理、固氮和有机合成等方面。
有鉴于此，印度理工学院Venkata Krishnan和赫尔辛基大学Pedro H. C. Camargo等人，综述了上述研究的基本原理，TiO2 基等离子体光催化领域的未来工作提供指导。综述了肖特基结的形成、热电子的产生和转移、近场电磁增强、等离子体共振能量转移、散射和光热加热效应等重要参数的概念和最新描述。讨论了等离子体介导的二氧化钛基材料的合成方法和各种物理化学参数对性能的影响。
本文要点
1）TiO2 基等离子体纳米材料的优异光催化性能使其成为太阳能到化学能量转换的潜在候选材料。为了合理设计和开发高效的等离子体 TiO2 基光催化剂，总结了多种合成方法。将等离子体金属纳米粒子与 TiO2 一起使用的主要目的是减少电荷载流子复合并改善太阳光谱（VIS 甚至 NIR 区域）中光的收集。将这些等离子体金属纳米粒子与 TiO2 耦合还有其他几个优点：1）它可以通过控制等离子体金属纳米粒子的尺寸和形状来增强或调节光催化剂的光吸收能力，2）仅少量的等离子体金属纳米粒子可（约 0.5 ~ 2 wt％）显着提高光催化活性，3）等离子体金属纳米颗粒也可以作为催化活性位点； 4) 基于 TiO2 的等离子体光催化剂具有高光稳定性，5) 缺陷工程也通过提供活性位点来吸附和还原稳定分子，如 N2 和 CO2，它们通常仅在恶劣条件下才表现出反应性，从而发挥重要作用。因此，等离子体金属纳米颗粒和二氧化钛开辟了提高光催化活性的有效途径。
2）要使基于 TiO2的等离子体光催化剂得到广泛应用，必须解决几个挑战，总结如下:(1)需要精确的等离子体纳米结构的合成方法，可以为合理设计活性、选择性和稳定性更高的光催化剂提供基础。(2) 研究还应侧重于通过形状控制和/或具有不同形状、成分和结构的等离子体 NPs 的组合来收集 NIR 区域的光。(3) 关于机理理解，工作和实验的设计应该正确解决 LSPR 激发的电荷载流子对等离子体光热加热效应的贡献。(4) 迄今为止，在等离子体光催化中，已经广泛探索了表现出强烈等离子体响应的昂贵金属，例如 Au 和 Ag。因此，应该追求低成本和地球上丰富的等离子体 NPs，如铝 (Al)、镁 (Mg) 和 AlN。
参考文献：
Ajay Kumar et al. Recent Advances in Plasmonic Photocatalysis Based on TiO2 and Noble Metal Nanoparticles for Energy Conversion, Environmental Remediation, and Organic Synthesis. Small, 2021.
DOI: 10.1002/smll.202101638
https://doi.org/10.1002/smll.202101638