近日，我所催化基础国家重点实验室李灿院士团队在表面等离激元光催化水分解的机理研究方面取得新进展，确认金属—半导体界面可同时作为热空穴的捕获位点和水氧化的反应中心，并实现了可见光下水的完全分解。相关研究结果以全文的形式发表在《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04470）。
利用光催化分解水将太阳能转化为化学能，受到全世界广泛的关注。表面等离激元光催化剂由于其具有拓展可见光吸收的潜力进而提高太阳能制氢转化效率，近年来受到学术界越来越多的重视。在太阳能分解水制氢过程中，水的氧化反应是瓶颈反应。因此，研究光催化的水氧化过程一直是重点和难点。然而到目前为止，学术界对于表面等离激元产生的热空穴用于氧化水的机理和反应中心并不清楚。
在本工作中，研究人员制备了纳米Au/TiO2表面等离激元催化剂，发现其水氧化反应受到二氧化钛表面结构的极大的影响；通过表面光电压谱（SPV）在单个粒子上的成像表征，发现表面等离激元诱导产生的热空穴主要分布在Au-TiO2的界面附近。进一步通过选择性光沉积实验并结合高分辨元素成像的表征，清楚的表明Au-TiO2的界面是光催化氧化水反应的活性中心；理论计算的结果也表明Au/TiO2催化剂界面处的独特的Au-O-Ti结构能够有效的降低反应的活化能，是水氧化反应的活性中心。基于此进展，研究人员利用表面等离子激元催化剂构筑了Z-scheme体系实现了可见光下水的完全分解反应。更重要的是，该研究团队最近构筑的全固态的Z-scheme人工光合体系同样也实现了可见光下水的完全分解（J. Catal.）。该工作解决了长期以来表面等离激元光催化剂水氧化活性位点的疑难问题，并基于表面等离激元催化剂实现了可见光下水的完全分解反应，为设计优化界面结构来实现高效表面等离激元催化剂水分解反应提供了新思路。
该工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金, 中科院战略性先导科技专项和教育部能源材料化学协同创新中心(iChEM)的资助。（文/图 王升扬）
