光子-等离子体-量子协同效应对PtAu/SiO2催化剂性能的影响

《ACS Photonics》：Photonic–Plasmonic–Quantum Synergistic Effect on PtAu/SiO2 Catalyst Performance

三维Pt-Au/SiO?光孔催化剂通过光子带隙-等离子共振耦合实现45倍甲醇脱氢速率提升，突破热极限模型限制

　　

光子结构能够精确控制光与物质在光催化过程中的相互作用。然而，设计出同时增强光吸收、提高电荷转移效率并保持催化稳定性的结构仍然是一个巨大的挑战。在这里，我们通过在SiO₂蛋白石中嵌入Pt–Au纳米颗粒来构建一种三维催化剂，通过模拟指导对蛋白石周期性的调节，产生了部分光子带隙，从而与Au表面等离子体共振（SPR）发生耦合。这种优化后的催化剂（Pt–Au/SiO_2-opal）实现了12倍的局部电磁场增强效果。利用甲醇脱氢反应作为两电子探针，我们观察到甲醇脱氢速率提高了45倍（达到194 μmol g^–1 h^–1，HCHO选择性超过99.8%），而纯PtAu/SiO₂的脱氢速率为4.3 μmol g^–1 h^–1。将Pt既作为电子媒介又作为活性位点嵌入到这种量子限定的、多方向性的蛋白石支架中，可以促进Au热载流子的生成，并通过定向的界面通道传递电荷。这种不依赖于光强的冷却特性以及延长的载流子寿命明确地打破了“双温度模型”（TTM），表明光子-等离子体耦合为实现超越热极限的催化性能提供了新的途径。