多孔SiO2壳限域高密度钌纳米颗粒通过等离激元耦合增强光热催化实现高效CO2甲烷化

本研究发现将高密度钌纳米颗粒簇封装于多孔SiO2壳（Rum@pSiO2）可显著增强等离激元耦合效应，实现8.75 mol gRu-1 h-1的CH4产率（近100%选择性），其太阳光驱动CO2甲烷化性能较传统催化剂提升3.2倍，为光热催化（Photothermal Catalysis）提供了创新设计范式。

　　

Highlight

通过介电基质中等离激元耦合金属纳米颗粒的理论预测指导，本研究合理设计了Ru_m@pSiO₂纳米反应器，其具有增强的等离激元能量捕获、强化的电磁场限域和优化的光热管理特性。

Introduction

等离激元金属纳米结构（包括金、铜、铂和钌）通过局域表面等离激元共振（LSPR）效应，作为纳米级光集中器在光热催化中发挥关键作用。这些材料可限制光能并放大局部电磁场，实现光能向局部热量和高能载流子的有效转换。然而，其潜力受限于宽光谱范围内的低效光子捕获以及等离激元效应产生的热能的次优利用。将金属纳米颗粒嵌入介电基质（如SiO₂或MXene）中以产生电磁均匀的复合纳米反应器，已成为解决上述问题的创新方案。通过该策略，创建的等离激元纳米腔可显著增强等离激元-光子耦合，实现强光-物质相互作用，减少热辐射损失并最大化局部热效应。但整合孤立金属纳米颗粒的此类系统仍存在光生响应受限和有限电场增强的问题。最新研究表明，颗粒间相互作用（称为颗粒间耦合）有望显著增强纳米间隙内的局部电磁场并产生纳米级热点。此处，相互作用能（V）与颗粒间距离（d）的立方成反比（V∝p₁p₂/d³，其中p₁和p₂为偶极矩幅值）。紧密相邻的纳米颗粒组装体进一步放大该效应，产生的电磁场被限制并强化于高密度纳米级等离激元间隙中。该效应可通过等离激元热电子注入或界面直接激发机制促进反应物分子的吸附和活化。与单个纳米颗粒的微弱加热效应不同，集体耦合可诱导宏观热效应，展现出增强光热催化的巨大潜力。

Conclusion

本研究报道了一种开创性的Ru_m@pSiO₂光热纳米反应器，将密集耦合的等离激元钌纳米颗粒组装体整合于介电pSiO₂壳内。该设计利用簇状钌核处的等离激元耦合热点集中电磁场，优化光子能量转换并强化催化剂-反应物相互作用，从而实现卓越的反应物活化和中间体转化。pSiO₂介电基质进一步提供纳米级热绝缘，最小化热耗散并最大化局部温度提升。