表面等离子体共振效应增强自旋极化电子促进光催化CO2还原的机制研究

本研究针对手性纳米材料中自旋极化电子-空穴复合率高的问题，通过构建D-山梨醇诱导的手性溴氧化铋（D-BiOBr）负载金纳米颗粒（Au NPs）的复合光催化剂（D-BiOBr/Au），利用表面等离子体共振（SPR）效应增强自旋极化电子转移，显著提升光催化CO2还原性能。实验表明D-BiOBr/Au的CO产率达24.39 μmol/g·h?1，较D-BiOBr和原始BiOBr分别提高2.02倍和2.43倍，为手性材料在光催化领域的应用提供了新策略。

　　

研究背景
在应对全球气候变化和能源危机的背景下，光催化CO₂还原技术因其能直接将温室气体转化为燃料而备受关注。然而，传统半导体材料面临载流子复合率高、量子效率低等瓶颈问题。近年来，手性纳米材料因其独特的圆二色性（CD）和手性诱导自旋选择性（CISS效应）在光催化领域崭露头角——当自旋极化电子通过手性分子轨道时，会引发自旋-轨道耦合（SOC），从而抑制电子-空穴复合。但现有手性材料仍存在自旋极化电子增强不足的缺陷。与此同时，金纳米颗粒（Au NPs）的表面等离子体共振（SPR）效应因其能局域增强电磁场、调控电子行为，成为提升光催化性能的新突破口。

云南大学的研究团队创新性地将这两种机制结合，通过在手性溴氧化铋（D-BiOBr）上沉积Au NPs，构建了具有SPR增强效应的D-BiOBr/Au复合光催化剂，相关成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》。

关键技术方法
研究采用水热法以D-山梨醇为手性诱导剂合成D-BiOBr，通过光还原法沉积Au NPs；利用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征材料结构；通过圆二色谱（CD）验证手性；采用有限时域差分（FDTD）模拟电磁场分布；通过光电化学测试和原位红外光谱分析载流子行为及反应路径。

研究结果

材料表征
XRD证实D-Sor和Au的引入未改变BiOBr的四方晶系结构（P4/nnm空间群）。TEM显示Au NPs均匀分布在D-BiOBr表面，粒径约15 nm。CD光谱在300-550 nm出现明显Cotton效应，证实手性结构成功构建。

光催化性能
D-BiOBr/Au的CO产率（24.39 μmol/g·h^?1）显著高于D-BiOBr（12.07 μmol/g·h^?1）和原始BiOBr（10.03 μmol/g·h^?1）。同位素标记实验证实碳源来自CO₂而非杂质。

机制解析
FDTD模拟显示Au NPs的SPR效应在可见光区产生强局域电场，增强手性电磁场。自旋分辨电化学测试表明D-BiOBr/Au的自旋极化电子转移效率提升3.8倍，载流子寿命延长至BiOBr的2.5倍。

结论与意义
该研究首次将SPR效应与手性材料的CISS效应协同，通过增强自旋极化电子促进CO₂还原：① SPR效应延长载流子寿命；② 手性结构诱导自旋选择性分离；③ 二者协同使电子转移效率提升2.43倍。这不仅为设计高效光催化剂提供新思路，也为手性-等离子体耦合效应的基础研究开辟了新方向。