Nature子刊：等离子体激发助力CO2还原！

第一作者：Yicui Kang, Simão M. João

通讯作者：Rui Lin, Johannes Lischner, Emiliano Cortés

通讯单位：慕尼黑大学，伦敦帝国理工学院

论文速览

虽然晶面在传统多相催化中的作用已经被熟知，但是在等离子体辅助催化中，这种作用还没有明确，之前的研究也主要集中在等离子体衍生的机制上。

本论文研究了等离子体辅助催化中晶体晶面的效应，特别是在电催化二氧化碳（CO₂）还原反应中的应用。研究团队通过使用不同形状的等离子体金（Au）纳米粒子（纳米立方体NC、菱形十二面体RD和八面体OC），分别暴露出{100}、{110}和{111}晶面，来研究它们在等离子体激发下的催化性能。

研究发现，在等离子体激发下，Au八面体（OC）的CO法拉第效率（FE_CO）和CO局部电流密度（j_CO）上相较于暗条件有显著提升，而Au菱形十二面体（RD）在光照条件下性能保持一致，表明光照对反应影响较小。

通过原子模拟和电磁建模，揭示了Au OCs和NCs比RDs具有更高的热载流子丰度和电场增强效应。这些发现为设计高效的光催化剂提供了关键见解，有助于实现能源转换和碳中和。

图文导读

图1：合成的单晶金纳米粒子（Au NCs、RDs和OCs）的SEM图像、HRTEM图像及SAED衍射花样，以及它们的XRD图谱和紫外-可见-近红外吸收光谱。

图2：三种Au纳米粒子在电催化CO₂还原反应中的法拉第效率（FE）和局部电流密度（j）的变化，以及在等离子体激发下的性能提升情况。

图3：等离子体激发对不同Au NP_s电催化系统的影响机制，包括温度对FE_CO的影响、热载流子的生成率以及在不同电场波长下的分布。

图4：在光照（等离子体激发）和暗条件下，Au纳米粒子的电催化CO₂还原反应。

图5：Au纳米粒子在黑暗中和525 nm LED照明下的析氢反应（HER）性能。

总结展望

本研究的亮点在于揭示了等离子体辅助电催化CO₂还原反应中晶体晶面的效应，特别是边缘和角落的低配位位点在等离子体激发下对反应活性和选择性的显著影响。

实验数据表明，Au八面体和纳米立方体在等离子体激发下展现出更高的CO生成法拉第效率和电流密度，而Au菱形十二面体则对光照影响不敏感。原子模拟和电磁建模结果进一步证实了热载流子和电场增强在等离子体催化过程中的关键作用。

这些发现不仅为理解等离子体催化机制提供了重要见解，也为设计和优化等离子体催化剂提供了指导，有助于推动太阳能转换和碳中和技术的发展。

文献信息

标题：Effect of crystal facets in plasmonic catalysis

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47994