协同光电及热效应实现铜光阴极上等离激元催化高效硝酸根还原反应  

Synergistic photoelectric and thermal effect for efficient nitrate reduction on plasmonic Cu photocathodes

作　　者：陈振霖 薛静 武磊 党昆 籍宏伟[1,2] 陈春城 章宇超[1,2] 赵进才 Zhenlin Chen;Jing Xue;Lei Wu;Kun Dang;Hongwei Ji;Chuncheng Chen;Yuchao Zhang;Jincai Zhao(Key Laboratory of Photochemistry,Beijing National Laboratory for Molecular Sciences,Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

机构地区：[1]中国科学院化学研究所光化学重点实验室,北京分子科学国家研究中心,北京100190 [2]中国科学院大学,北京100049

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2024年第7期219-230,共12页催化学报（英文）

基　　金：国家重点研发计划(2022YFA1505000,2020YFC1808401);国家自然科学基金(22072158,22321004);中国科学院战略重点研究项目(XDB36000000);中国科学院基础研究青年科学家项目(YSBR-004).

摘　　要：近年来,电催化硝酸根还原反应(NO_(3)RR)已经成为水处理和合成氨领域的研究热点.相比于传统的电催化剂,等离激元辅助的电催化反应通过将太阳能和电化学偏压同时施加到金属纳米结构上,在实现高效太阳能到化学能转化领域展现出了巨大潜力.然而,目前有关等离激元辅助NO_(3)RR的文献报道较少,已有的研究主要集中于利用金(Au)纳米结构的等离激元效应辅助增强NO_(3)RR.但Au对NO_(3)RR的本征电催化活性很差,这导致在等离激元辅助NO_(3)RR领域,氨的产率和法拉第效率难以令人满意.此外,对于等离激元辅助NO_(3)RR的机理研究不深入,例如如何区分等离激元产生的光电效应和光热效应对NO_(3)RR的影响,以及等离激元激发的金属纳米结构是如何影响NO_(3)RR过程等问题都尚未解决.因此,有必要采取有效的策略来深入探究等离激元辅助NO_(3)RR的内在机制,从而进一步提高其催化性能.铜(Cu)作为一种高效的硝酸根还原电催化剂,同时是一种典型的具有等离激元效应的金属材料.然而,目前关于利用Cu的等离激元效应辅助增强NO_(3)RR的报道很少.本文报道了利用Cu纳米线(CuNWs)的等离激元效应辅助增强NO_(3)RR性能.在等离激元激发条件下,CuNWs展现出较好的NO_(3)RR催化性能.在协同的光电和热效应的作用下,与暗态常温条件相比,催化性能提升了近2倍.经过400次循环伏安测试,CuNWs光阴极的电流密度仅下降到初始值的88%,而在黑暗条件下,CuNWs光阴极催化NO_(3)RR的电流密度则下降了43%.这表明光照同时显著提升了CuNWs催化NO_(3)RR的稳定性.产物分析结果表明,在-0.2到-0.4 V(相对于可逆氢电极)的宽电势范围内,CuNWs光阴极实现了接近100%的氨法拉第效率,并取得了较高的氨产率,超过了之前大多数报道的等离激元辅助Au催化剂的NO_(3)RR性能.通过活化能实验、微分电流实验以及升温实验,区分了等离激元激�Recently,electrochemical nitrate reduction reaction(NO_(3)RR)has been intensively explored for the synthesis of ammonia,and copper(Cu)has become one of the most promising materials for NO_(3)RR.Notably,Cu is an important plasmonic metal that absorbs visible light.The plasmonic effect might have a significant influence on the performance of Cu-catalyzed NO_(3)RR but has been seldom reported.Herein,we report the synergistic photoelectric and thermal effect for efficient and stable NO_(3)RR on plasmonic Cu nanowire photocathodes,which is exclusively effective for NO_(3)RR but has no effect on the competing hydrogen evolution reaction.The faradaic efficiency for ammonia production is nearly 100%within a potential range from-0.2 V to-0.4 V vs.RHE,and a high ammonia yield rate of 1.37 mmol h^(-1)cm^(-2)is achieved at-0.2 V vs.RHE.Further operando photoelectrochemical studies and theoretical simulations confirm that the plasmonic excitation efficiently accelerates the rate-limiting desorption of NH3 on Cu surfaces.We further demonstrate the versatility of this strategy to other Cu-based nanostructures.

关 键 词：铜光阴极 等离激元辅助电催化剂 光电效应 光热效应 硝酸根还原反应 

分 类 号：X703[环境科学与工程—环境工程] TQ113[化学工程—无机化工] TQ426