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，倫敦帝國理工學院

論文速覽

雖然晶面在傳統多相催化中的作用已經被熟知，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制上。

本論文研究了等離子體輔助催化中晶體晶面的效應，特別是在電催化二氧化碳（CO₂）還原反應中的應用。研究團隊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，來研究它們在等離子體激發下的催化性能。

研究發現，在等離子體激發下，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，表明光照對反應影響較小。

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增強效應。這些發現為設計高效的光催化劑提供了關鍵見解，有助于實現能源轉換和碳中和。

圖文導讀

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下的性能提升情況。

圖3：等離子體激發對不同Au NP_s電催化系統的影響機制，包括溫度對FE_CO的影響、熱載流子的生成率以及在不同電場波長下的分布。

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

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

總結展望

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

實驗數據表明，Au八面體和納米立方體在等離子體激發下展現出更高的CO生成法拉第效率和電流密度，而Au菱形十二面體則對光照影響不敏感。原子模擬和電磁建模結果進一步證實了熱載流子和電場增強在等離子體催化過程中的關鍵作用。

這些發現不僅為理解等離子體催化機制提供了重要見解，也為設計和優化等離子體催化劑提供了指導，有助于推動太陽能轉換和碳中和技術的發展。

文獻信息

標題：Effect of crystal facets in plasmonic catalysis

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47994