第一作者：Yicui Kang, Sim?o M. Jo?o

通訊作者：Rui Lin, Johannes Lischner, Emiliano Cortés

通訊單位：慕尼黑大學(xué)，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

論文速覽

雖然晶面在傳統(tǒng)多相催化中的作用已經(jīng)被熟知，但是在等離子體輔助催化中，這種作用還沒有明確，之前的研究也主要集中在等離子體衍生的機(jī)制上。

本論文研究了等離子體輔助催化中晶體晶面的效應(yīng)，特別是在電催化二氧化碳（CO₂）還原反應(yīng)中的應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)通過使用不同形狀的等離子體金（Au）納米粒子（納米立方體NC、菱形十二面體RD和八面體OC），分別暴露出{100}、{110}和{111}晶面，來研究它們?cè)诘入x子體激發(fā)下的催化性能。

研究發(fā)現(xiàn)，在等離子體激發(fā)下，Au八面體（OC）的CO法拉第效率（FE_CO）和CO局部電流密度（j_CO）上相較于暗條件有顯著提升，而Au菱形十二面體（RD）在光照條件下性能保持一致，表明光照對(duì)反應(yīng)影響較小。

通過原子模擬和電磁建模，揭示了Au OCs和NCs比RDs具有更高的熱載流子豐度和電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)高效的光催化劑提供了關(guān)鍵見解，有助于實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和碳中和。

圖文導(dǎo)讀

圖1：合成的單晶金納米粒子（Au NCs、RDs和OCs）的SEM圖像、HRTEM圖像及SAED衍射花樣，以及它們的XRD圖譜和紫外-可見-近紅外吸收光譜。

圖2：三種Au納米粒子在電催化CO₂還原反應(yīng)中的法拉第效率（FE）和局部電流密度（j）的變化，以及在等離子體激發(fā)下的性能提升情況。

圖3：等離子體激發(fā)對(duì)不同Au NP_s電催化系統(tǒng)的影響機(jī)制，包括溫度對(duì)FE_CO的影響、熱載流子的生成率以及在不同電場(chǎng)波長(zhǎng)下的分布。

圖4：在光照（等離子體激發(fā)）和暗條件下，Au納米粒子的電催化CO₂還原反應(yīng)。

圖5：Au納米粒子在黑暗中和525 nm LED照明下的析氫反應(yīng)（HER）性能。

總結(jié)展望

本研究的亮點(diǎn)在于揭示了等離子體輔助電催化CO₂還原反應(yīng)中晶體晶面的效應(yīng)，特別是邊緣和角落的低配位位點(diǎn)在等離子體激發(fā)下對(duì)反應(yīng)活性和選擇性的顯著影響。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Au八面體和納米立方體在等離子體激發(fā)下展現(xiàn)出更高的CO生成法拉第效率和電流密度，而Au菱形十二面體則對(duì)光照影響不敏感。原子模擬和電磁建模結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了熱載流子和電場(chǎng)增強(qiáng)在等離子體催化過程中的關(guān)鍵作用。

這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解等離子體催化機(jī)制提供了重要見解，也為設(shè)計(jì)和優(yōu)化等離子體催化劑提供了指導(dǎo)，有助于推動(dòng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和碳中和技術(shù)的發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Effect of crystal facets in plasmonic catalysis

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47994