等离子体银修饰氮化镓实现高效光热催化CO2转化及C2+产物生成

针对CO2光催化转化效率低、C2+产物生成难的问题，研究人员通过原位氮化结合化学沉积法构建了Ag NPs/GaN复合光催化剂。该材料利用Ag的局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强可见光吸收与电荷分离，同时通过光热效应提升表面温度，实现了421 μmol g?1 h?1的CO产率和79 μmol g?1 h?1的C2H6生成，为高附加值化学品合成提供了新思路。

　　

随着全球温室效应加剧和能源危机凸显，如何将CO₂高效转化为高附加值化学品成为研究热点。然而，CO₂分子极高的C=O键解离能（750 kJ/mol）和C-C耦合能垒，使得传统光催化技术难以生成C₂₊产物（如乙烷、乙烯等），且转化效率普遍低于100 μmol g^?1 h^?1。氮化镓(GaN)虽具有优异的载流子迁移率，但其宽禁带特性导致可见光吸收不足，严重制约了实际应用。

为解决这一难题，大连理工大学的研究团队创新性地将等离子体银(Ag)纳米颗粒与GaN复合，开发出具有光热协同效应的Ag/GaN催化剂。通过调控Ag NPs的负载量（0.1-0.5 wt%）和熟化时间（2-24 h），最终0.3Ag/GaN在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表的研究中展现出卓越性能：CO产率达421 μmol g^?1 h^?1，更突破性地实现C₂H₆选择性生成（79 μmol g^?1 h^?1），为C₂₊产物的光催化合成提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 以Ga₂O₃为前驱体通过原位氮化法安全制备GaN；2) 化学还原法精确控制Ag NPs尺寸（20-50 nm）和分散度；3) 结合原位红外光谱和表面温度监测揭示光热效应机制。

【研究结果】

1. 催化剂制备与表征
   通过SEM和TEM证实Ag NPs均匀分布在GaN表面（图2a），XRD显示GaN的纤锌矿结构（JCPDS No. 76-0703）。UV-Vis DRS证明Ag负载使吸收边红移至550 nm，LSPR特征峰位于450 nm。

2. 光催化性能优化
   0.3Ag/GaN在模拟太阳光下性能最优，其表观量子效率（AQE）达2.3%，是纯GaN的8倍。光热成像显示催化剂表面温度升高35°C，显著加速反应动力学。

3. 机理研究
   原位DRIFTS捕获到关键中间体COOH和CO，证明Ag NPs促进CO₂活化。密度泛函理论（DFT）计算表明，Ag(111)晶面对*CO的吸附能（-1.32 eV）远高于GaN(100)面（-0.67 eV），为C-C耦合创造有利条件。

【结论与意义】
该研究通过LSPR效应与光热效应的协同作用，首次在GaN基催化剂上实现高效C₂H₆生成。其创新点在于：1) 利用Ag NPs的"热点"效应提升局部温度，克服反应能垒；2) 通过金属-半导体界面电荷转移抑制电子-空穴复合；3) 优化*CO中间体吸附强度以促进C-C耦合。这项工作不仅为设计多碳产物光催化剂提供了新思路，也为工业化CO₂资源化利用奠定了理论基础。