莱斯大学：等离子体效应能够使催化剂以更低的能量工作

莱斯大学（Rice University）纳米光子学实验室的研究生Linan Zhou花了数月时间对光活化催化剂进行了细致的研究。这项研究发表在“Science ”杂志上，详细介绍了等离子体效应如何改善对催化活化的阻碍并提高催化效率。
图片来源：莱斯大学的Jeff Fitlow

莱斯大学的纳米科学家展示的一种新型催化剂可以在环境压力下利用光能将氨转化为氢作燃料，主要原因是等离子体效应使催化剂变得更有效。

莱斯大学纳米光子学（LANP）实验室在本周的“Science ”杂志上发表了一项关于新型催化纳米粒子的研究，该粒子主要由铜和微量元素钌金属制成。测试表明催化剂受益于光诱导的电子过程，该过程显着降低了钌分解氨分子的“活化势垒”或所需的最小能量。

各国政府和工业界投入数十亿美元的资金来开发无碳液氨燃料的基础设施和市场来改善温室气候变暖。但研究人员表示，等离子体效应带来的影响可能超出“氨经济”的影响。

LANP院长Naomi Halas是一位化学家和工程师，他花了25年多的时间研究光活化纳米材料的用途。他表示：“改善对催化活化的阻碍的一般化方法对许多经济部门都有影响，因为催化剂多用于制造商业化生产的化学品。如果在我们的合成中可以用其他催化金属代替钌，那么等离子体效应同样可以应用于其他化学转化，使它们可持续性更强、更便宜。”

催化剂是加速化学反应而自身不参加反应的材料。例如催化转换器，可减少车辆有害气体的排放排放。尽管化学品生产商每年在催化剂上花费数十亿美元，但大多数工业催化剂只有在高温和高压下效果最好。氨分解是一个很好的例子。每个氨分子含有一个氮和三个氢原子。钌催化剂主要用于分解氨来产生氢气（H2）和氮气（N2），其中氢气燃料的唯一副产品是水，而地球大气层的78％主要是氮气（N2）。

起初，将氨粘附或吸附到钌上，并且随着氨中的键逐个被破坏而进行一系列步骤。留下的氢和氮原子抓住剩余的伙伴氢原子，然后从钌表面离开或解吸。最后一步十分关键的，因为氮对钌具有很强的亲和力并且喜欢粘附，这会阻止钌表面吸附其他氨分子。为了驱走它，必须为系统增加更多的能量。

图为莱斯大学纳米光子学（LANP）实验室的科学家们证明了光驱动的等离子体效应如何使铜和钌催化剂更有效地分解氨分子。已知每个氨分子含有一个氮和三个氢原子，当催化剂暴露于光（右）时，共振等离子体效应会产生高能“热载体”电子，与在黑暗中加热的反应（左）相比，这些电子在钌反应位点处定位并加速氮的解吸。

图片来源：莱斯大学纳米光子学（LANP）实验室

在Science 发表论文的第一作者，研究生Linan Zhou表示，LANP中，铜 - 钌催化剂的效率来自光诱导的电子过程，它可以钌反应位点产生局部能量用于解吸附。

“热载体驱动的光催化作用”的过程起源于铜纳米颗粒不断旋转形成的的电子海洋。入射光的某些波长与电子海产生共振，并建立局部表面等离子体共振的节奏振荡。 LANP开创了越来越多的技术，其中这些技术利用等离子共振技术应用于变色玻璃，分子传感，癌症诊断和治疗以及太阳能收集等多种应用。

2011年，LANP的Peter Nordlander成为世界领先的纳米粒子等离子体理论专家之一。Halas及其同事表示，当光与金属碰撞时，等离子体可以短时间增加高能电子的数量，即“热载流子”。 2016年，Dayne Swearer是本周所发表论文的合著者，他和LANP实验室其他的研究人员表示，等离子体纳米粒子可以在“天线反应器”设计中与催化剂结合，其中等离子体纳米粒子充当天线以捕获光能并通过近场光学效应将其转移到附近的催化反应器中。

Zhou 表示：“这个天线反应堆是第一代，主要的催化作用来自天线在吸收光线时引起的近场。这个近场驱动相邻反应堆产生振荡，然后产生热载流子。但是如果我们可以有热载流子直接到达反应堆并驱动反应，效率会更高。”

Zhou历时好几个月改进铜-钌纳米粒子的合成，使其变得比红细胞小得多。每个纳米粒子含有数万个铜原子，但只有几千个钌原子能够取代粒子表面上的一些铜原子。

Swearer说：“基本上是钌原子散布在铜原子的海洋中，而铜原子吸收了光，使得它们的电子一起来回摇动。 一旦一部分电子通过非辐射等离子体衰变的量子过程获得足够的能量，它们就可以在钌位点内定位并增强催化反应。”

图为莱斯大学纳米光子学实验室的研究生Dayne Swearer和Linan Zhou。
图片来源：Jeff Fitlow /莱斯大学

Swearer表示：“在300K（约27摄氏度）左右的室温下，等离子体共振可以将这些热电子的温度提高到10,000K（约9727摄氏度），因此当它们定位在钌上时，这种能量可以用来破坏分子中的键，有助于吸附以及解吸。”

如阳光明媚的下午，太阳烘烤着金属制成的野餐桌，在Zhou的实验中，白色激光就如同大自然中明媚的阳光，可导致铜 - 钌催化剂加热。由于没有办法直接测量颗粒中产生多少热载流子，Zhou只好用一台热感相机，花好几个月的时间进行细致的测量，以便将热诱导的催化效应与热载体引起的催化效应区分开来。

“大约20％的光能被捕获用于氨分解，”周说。 “这很好，我们认为我们可以通过改进来改进这一点并制造更有效的催化剂。”

Zhou 和Halas 表示，团队已经在进行后续实验，看看其他催化金属是否可以代替钌，最初的结果表明很有前景。

Halas表示：“现在我们已经了解了热载体在等离子体介导中光化学中的具体作用，它为特定应用设计节能的等离子体光催化剂奠定了很好的基础。”

该论文的共同作者包括莱斯大学的Chao Zhang, Hossein Robatjazi, Hangqi Zhao, Luke Henderson 和 Liangliang Dong，还有加州大学圣巴巴拉分校的Phillip Christopher，和普林斯顿大学的Emily Carter。

Halas是莱斯大学的电气和计算机工程教授，化学，生物工程，物理和天文学，材料科学和纳米工程专业的教授。 Nordlander是Wiess学院的教授，物理与天文学，电气与计算机工程，材料科学与纳米工程的教授。