通過人造材料，進行與自然界光合作用相似的化學反應，利用陽光、二氧化碳和水生成人類所需物質，是長期以來的夢想。然而，這種人工光合成體系進行應用嘗試時，面臨挑戰，關鍵在於如何利用太陽光中低能量的光子。紅外光是太陽光譜中典型的低能光子，在太陽光譜中占比達53%。通常的半導體光催化技術只能利用紫外區和可見區的光子來驅動化學轉化，制約了太陽能利用效率。近年來，國際上的等離激元催化研究團隊提出利用金屬納米材料的等離激元效應來驅動催化反應的思路，以期解決半導體光催化的瓶頸。等離激元金屬納米材料具有吸收低能光子的能力，卻難以將吸收的能量有效地利用到催化反應中，導致化學轉化活性很低。中國科學技術大學教授熊宇傑研究團隊針對等離激元催化的機制問題，開展了近十年的研究（Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 3205；Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 2425；J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 6822；J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 7807；Adv. Mater.2022, 34, 2202367）。近日，熊宇傑/龍冉研究團隊設計了一類等離激元催化材料，發現其獨特的界面耦合態直接電子激發機制，實現了可見光區和紅外光區二氧化碳與水的高選擇性轉化。該技術使用廣譜低強度光，甲烷產率達0.55 mmol/g/h，碳氫化合物的產物選擇性達100%，是目前光碟機動二氧化碳資源化利用的最高紀錄。相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nat. Commun. 2023, 14, 221）。
該團隊聚焦二氧化碳與水的轉化反應，基於等離激元材料的催化活性位點設計，形成金屬與二氧化碳分子的有效雜化耦合體系。研究通過一系列工況條件下的譜學表徵，發現在等離激元的局域電場增強效應下，其費米能級之上會出現准離散的陷阱態，有助於發生熱電子的直接激發過程，並通過延長熱電子壽命而發生二次激發過程，從而實現高效多光子吸收和選擇性能量轉移。基於該作用機制，所設計的材料在可見光區和紅外光區範圍內，皆可驅動二氧化碳與水高選擇性轉化為碳氫化合物。鑑於等離激元催化的多光子吸收特點，該團隊設計優化了反應裝置，實現了散射光子的高效吸收，從而突破了當前光碟機動二氧化碳資源化利用領域的瓶頸。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金國家傑出青年科學基金項目/優秀青年科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。天津大學、安徽師範大學、合肥光源等的課題組參與研究。
中國科大在紅外人工光合成領域取得進展
來源：中國科學技術大學
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