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黄海涛/雷党愿Nature子刊:Au的等离子体局部加热,加速BaTiO3纳米粒子催化制氢

热释电催化是指在热释电材料中由温度波动引起的热释电表面电荷触发的催化反应。近年来,热催化技术在清洁能源生产和活性氧类(ROS)方面受到越来越多的关注。然而,现有的热释电材料,其热催化能力依赖于环境温度的变化,表现出较低的热催化效率。

基于此,香港理工大学黄海涛香港城市大学雷党愿等首先采用水热法合成了具有三维结构的类珊瑚BaTiO3纳米粒子,然后用原位生长的Au纳米粒子对其进行包覆(Au/BaTiO3纳米粒子),并且研究了等离子体局部加热下高效快速的热催化反应。

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由热等离子体诱导Au/BaTiO3 NPs热催化产氢氢,其中在786 mW cm-2辐射功率下60分钟内的氢气产率达到133.1±4.4 μmol g-1;并且Au/BaTiO3 NPs在532 nm纳秒激光照射下能够催化全水分解产生的H2和O2。热催化90分钟后BaTiO3纳米粒子的形态几乎没有变化,表明Au/BaTiO3纳米粒子对热催化产氢具有良好的稳定性。

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表面等离子体诱导局部加热驱动Au/BaTiO3 NP的热催化氢生成机制为:在光照下,Au纳米粒子的表面等离子共振会令其附着的BaTiO3纳米粒子的局部温度迅速上升;BaTiO3表面的无补偿热释电电荷可以与周围的水分子反应生成氢和氧;当光照被关闭时,BaTiO3将经历一个冷却循环,产生的热量迅速散发到周围的水中。

同样,在冷却循环期间未补偿的热释电表面电荷将参与热催化水分裂。此外,由表面热释电荷形成的内部电场可以进一步促进电荷分离和转移,用于热催化制氢和制氧。

Accelerated Pyro-catalytic Hydrogen Production Enabled by Plasmonic Local Heating of Au on Pyroelectric BaTiO3 Nanoparticles. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33818-4



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