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張春陽/倪衛海/賈恒磊JACS：Au/Rh超結構作為“天線-反應器”，實現高效等離子體驅動N2轉化為NH3

在工業上，由于N₂中N≡N三鍵具有極高的解離能(~941 kJ mol^?1)，NH₃的合成必須依靠在高溫(> 300 °C)和高壓(> 200 atm)條件下的能量和碳密集型的Haber-Bosch工藝。近年來，以太陽能和水為能源和質子源，在環境條件下生成NH₃的策略受到廣泛關注。等離激元金屬納米晶具有獨特的局域表面等離激元共振(LSPR)性質，這種性質是由于自由電子的共振頻率與激發光的共振頻率相等時產生的集體振蕩。

在這些等離子體金屬中，Au、Ag和Cu納米晶在可見光和近紅外區域表現出共振行為。這種強烈的光與物質的相互作用不僅使等離子體金屬納米晶表面的電磁場顯著增強，而且促進了熱電荷載流子的產生，從而在光催化領域具有廣泛的應用前景。因此，等離子體金屬納米晶與N₂固定催化劑的集成構建“天線-反應器”光催化劑為高效N₂光固定提供了機會。

近日，東南大學張春陽、蘇州大學倪衛海和山東師范大學賈恒磊等通過在Au納米雙錐(NBP)上選擇性生長自支撐Rh納米陣列來構建Au/Rh超結構(SSs)(Au NBP/Rh SSs)，并闡述了其對N₂光固定的“天線-反應器”工作機理。由于Au和Rh之間存在較大的晶格失配(~7%)，Rh在Au NBPs上的外延生長采用經典的Volmer-Weber模式，并通過對生長動力學的合理控制，獲得了陣列尺寸和密度可控的Au NBP/Rh SSs。

值得注意的是，這種合成策略適用于多種金屬納米晶基底，包括0D、1D和2D金納米晶，甚至是Pd納米晶，并且可以得到多種Au/Rh或Pd/Rh SSs。此外，Au NBP/Rh SSs對N₂的固定表現出優異的光催化性能，最大產氨速率為138.2 μmol h^?1 g^?1。

結合原位光譜表征和理論計算，研究人員提出了一個合理的“天線-反應器”機制用于N₂在Au NBP/Rh SSs上的固定：首先，Au納米粒子作為光收集納米天線，在共振激發下促進熱載流子的產生；熱電子轉移到Rh納米陣列的活性位點上進行N₂還原，熱空穴被空穴清除劑消耗。空間分離的結構有利于電荷分離和促進光催化活性。其次，N₂分子通過端對構型吸附在Rh納米陣列上，并且由于Rh和N₂之間的強相互作用而被進一步激活。

更重要的是，在Rh納米陣列的尖端存在一個強大的局部電場，不僅可以削弱N₂的三鍵，而且可以促進熱電子在Rh納米陣列上的分布，大大加快催化過程。最后，N₂分子通過相關的遠端機制還原為NH₃。此外，Au NBP/Rh SSs上的高折射率晶面為反應物吸附和活化提供了充足的低配位原子、臺階和扭結平臺，進一步提高了催化性能。

Construction of gold/rhodium freestanding superstructures as antenna-reactor photocatalysts for plasmon-driven nitrogen fixation. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c14586

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