光诱导磁性增强等离子体银纳米颗粒催化CO2 还原的协同机制研究

针对CO2 还原反应（CRR）中CO2 •? 自由基生成难的瓶颈问题，研究人员通过构建Ag/H-WO3 复合光催化剂，结合局域表面等离子体共振（LSPR）效应与外磁场（AMF），实现了三重态电子对（S=1）的定向调控，使CO产率提升至38.10 μmol g-1 h-1 （选择性99.41%），为光-磁协同催化提供了新范式。

　　

论文解读：

全球变暖与能源危机背景下，光催化CO₂
还原技术被视为“碳中和”的关键路径。然而，CO₂
分子极高的活化能垒（-1.9 V vs RHE）和传统半导体能带结构的失配，导致其单电子还原中间体CO₂
^•?
难以稳定生成，成为制约效率的核心瓶颈。尽管氧空位诱导的CO₂
分子弯曲可降低活化能，但热力学与动力学矛盾仍未解决。更棘手的是，非磁性催化剂对磁场响应微弱，而传统掺杂策略又受限于自旋极化效率。

针对这一难题，中国科学院的研究团队创新性地提出“光-磁协同”策略，以Ag负载六方氧化钨（Ag/H-WO₃
）为模型，揭示了局域表面等离子体共振（LSPR）与磁场（AMF）对自旋态调控的协同机制。研究发现：Ag纳米颗粒在光照下产生的非平衡热电子，通过AMF（200 mT）诱导的自旋交换耦合，形成三重态电子对（S=1），促使CO₂
^•?
自由基以³
[↑CO₂
^•?
…↑CO₂
^•?
]形式高效解离。该工作发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为设计新型自旋极化光催化剂提供了理论依据。

关键技术方法包括：水热法合成H-WO₃
载体，浸渍法负载Ag纳米颗粒；X射线衍射（XRD）表征晶体结构；原位电子顺磁共振（EPR）检测自由基；磁场辅助光催化反应系统评估性能。

研究结果：

1. 材料设计与表征：Ag/H-WO₃
   保留了H-WO₃
   的六方晶系结构，Ag纳米颗粒（~20 nm）均匀分布，LSPR效应在可见光区产生显著吸收。
2. 光-磁协同机制：AMF使Ag的LSPR热电子自旋寿命延长3倍，EPR证实³
   [↑CO₂
   ^•?
   …↑CO_{2
   ^•?
   ]信号强度提升2.1倍。}
3. 催化性能：最优样品Ag2/H-WO₃
   的CO产率达38.10 μmol g^-1
   h^-1
   ，AMF下较无磁场提升1.83倍，且选择性高达99.41%。

结论与意义：该研究首次将LSPR诱导的光致磁性与AMF自旋操控耦合，突破了非磁性体系对磁场不响应的限制。通过调控CO₂
^•?
自由基自旋态，实现了C=O键的高效裂解，为开发“零碳”能源技术开辟了新路径。未来可拓展至其他等离子体金属（如Au/Cu）与氧化物复合体系，推动多物理场协同催化的发展。