文献速递丨Nat. Catal.:用于氢气产生的等离子体激元二维超晶体

阳光驱动的氢气发电是解决迫在眉睫的碳基能源崩溃的核心技术。由等离子体纳米粒子和催化纳米粒子组成的胶体光催化剂在太阳辐照下生产氢气是有希望的，但它们的性能受到吸收和多重散射事件的阻碍。在这里，我们提出了一种二维双金属催化剂，将铂纳米粒子加入到一个定义良好的金纳米粒子超晶体中。该双金属超晶体在可见光和太阳辐照下，甲酸脱氢生成H2的速率为139 mmol gcat h-1。这种结构使得研究两种金属材料之间的相互作用及其对催化的影响成为可能。我们观察到热点的电场强度与铂纳米粒子催化活性的增强之间存在相关性，同时确定了热量和金到铂的电荷转移在增强中的次要作用。我们的研究结果证明了具有优化结构的二维结构对液相光催化的好处。

图1 |显微表征。a,b，由22 nm AuNPs制成的Au超晶体在两种不同放大倍数下的TEM图像。纳米粒子的粒子间距约为2 nm。c，超晶体的代表性透射显微镜图像。不同的蓝色表示不同数量的粒子层。1L，单层;2L，双层;3L，三层;3L+，多层。d,e，双金属二维AuPt超晶体在两种不同放大率下的TEM图像。PtNPs (~ 3 nm)存在于22 nm的AuNPs之间的粒子间隙(~ 3.5 nm)。不同的金属之间没有界面。

图2超晶体的光学特性。a,b，纯金超晶体(a)和双金属AuPt超晶体(b)的反射光谱、透射率和吸收光谱的实验层相关光谱。c,d，加权反射率，通过分析不同层数下纯金超晶体(c)和双金属AuPt超晶体(d)的透射光谱和吸收光谱。

图3甲酸条件下|光催化性能。a，在暗、光两种条件下，Au和AuPt超晶体的H2生成速率按催化剂总质量归一化。b, AuPt超晶体的阿伦尼乌斯图。在白光照射下，Ea由33.4 kJ mol?1降低到29.8 kJ mol?1。所有实验中使用的辐照度，~ 110 mW cm?2,T = 25°C。数据以至少三个独立测量值的平均值表示。误差条表示s.d。

在本研究中，我们介绍了一种等离子体双金属超晶体，在这种超晶体中，我们从胶体悬浮液中获得了理想的天线-反应器构型。在保持结构不变的情况下，超晶体的尺寸可以扩展到几平方毫米，并且可以实现单层、双层和多层畴。我们通过观察在太阳辐照下甲酸脱氢反应中H2的生成速率增加两倍，证明了超晶体中等离子体-催化组分的协同效应。通过使用明确定义的超晶体，我们能够区分等离子体对催化增强的贡献。我们的研究结果表明，PtNPs的性能主要取决于热点处的电磁场强度，而AuNP对催化中心的热贡献和电荷注入对反应增强的影响较小。

doi：https://doi.org/10.1038/s41929-023-01053-9