给点阳光就灿烂：局域表面等离子体共振效应激发MXene电催化活性

局域表面等离子体共振（LSPR）效应是利用光-物质相互作用进行能量转换，调控纳米结构表面电磁场与载流子性质的重要手段。利用贵金属纳米粒子的LSPR效应构筑高性能光电催化剂一直是化学与材料领域的研究热点。但贵金属纳米结构中光生载流子寿命极短，与化学反应耦合困难。金属-半导体异质结可有效提升光生载流子分离效率与寿命，但其利用与传输效率仍大幅受制于界面处的肖特基势垒与缺陷态束缚效应。与此同时，宽带隙半导体的低本征载流子浓度与较窄的光吸收频谱也限制了催化效率的提升。

基于二维过渡金属碳化物/氮化物的MXene是近年来炙手可热的前沿材料新星，因其从金属性到半导体连续可调的电子结构与丰富的表面化学性质，在储能、催化、环境、生物、电子、电磁屏蔽、超导、传感、分离技术、超导等诸多领域备受关注。多元的化学组成与晶体结构更为其物理化学性质与使役功能之调控提供了天高海阔的空间。与贵金属纳米颗粒相比，MXene具有类金属但低于金属4-5个数量级的本征载流子浓度与更大的二维光吸收截面，在紫外-可见-红外区域内具有优异的光吸收能力与显著的LSPR效应，在光生载流子高效激发与催化应用方面极具潜力，但在国内外尚缺乏系统深入的研究。

图1. 可见-近红外光区中LSPR效应所致的光热与热电子效应对MXene电催化析氢性能的影响机制

近日，大连理工大学王治宇教授（点击查看介绍）、中科院大连化物所吴凯丰研究员（点击查看介绍）与北京化工大学邱介山教授（点击查看介绍）合作，基于MXene的独特二维结构与光电-化学性质，在外源电场中以电化学催化析氢为探针反应，研究揭示了不同化学组成与晶体结构的MXene（如Ti₃C₂T_x、V₄C₃T_x、Nb₂CT_x）之LSPR效应对电化学催化反应过程的影响与过程强化机制。他们利用飞秒激光技术发现MXene在可见-近红外光谱区域的LSPR效应导致显著的光热转化与亚皮秒级热电子效应；其中，光热效应通过提供热能与降低浓差极化降低析氢反应过电势，而热电子注入效应则更利于降低析氢反应活化能。在不同pH环境中与光辐照条件下，这一耦合强化机制可使MXene的电催化析氢活性提升5倍以上。相关工作融合了凝聚态物理、光学、化学与材料等交叉学科的技术原理，为发展新型高效光电响应催化材料新体系提供了新的思路。

上述工作近期发表在Angewandte Chemie International Edition，论文第一作者为大连理工大学博士研究生吴籼虹，研究工作得到了国家自然科学基金会、辽宁省科技厅、大连理工大学等资助支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Boosting the Electrocatalysis of MXene by Plasmon-induced Thermalization and Hot-electron Injection

Xianhong Wu, Junhui Wang, Zhiyu Wang, Fu Sun, Yuzhao Liu, Kaifeng Wu, Xiangyu Meng, Jieshan Qiu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016181

导师介绍

王治宇

https://www.x-mol.com/university/faculty/287454

吴凯丰

https://www.x-mol.com/university/faculty/65921

邱介山

https://www.x-mol.com/university/faculty/188458