[發(fā)明專利]由等離激元天線和反應(yīng)性催化表面組成的多組分等離激元光催化劑：天線-反應(yīng)器效應(yīng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201880046307.1
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN110913987A
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 南?！ぜ鳌す?/a>;彼得·諾德蘭德;侯賽因·羅巴賈齊;戴恩·弗朗西斯·斯威勒;超·張;杭琪·趙;立南·周
• 申請（專利權(quán)）人: 威廉馬歇萊思大學(xué)
• 主分類號: B01J35/00
• 分類號: B01J35/00;B01J23/89;B01J37/03;B01J37/08;C07C1/04;C01C1/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 宋融冰

一種制備多組分光催化劑的方法，包括從包含等離激元材料的前體和反應(yīng)性組分的前體的前體溶液中誘導(dǎo)沉淀以形成共沉淀粒子；收集所述共沉淀粒子；和對所述共沉淀粒子進行退火以形成多組分光催化劑，該多組分光催化劑包含與等離激元材料光、熱或電子耦合的反應(yīng)性組分。

關(guān)于聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明

這項發(fā)明是在美國空軍科研辦公室(the Air Force Office of ScientificResearch)授予的撥款號FA9550-15-1-0022和美國國家科學(xué)基金會(the NationalScience Foundation)授予的撥款號DGE1450681的政府支持下完成的。政府擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。

背景

工業(yè)過程在很大程度上取決于用于化學(xué)生產(chǎn)和減輕環(huán)境污染物的非均相催化劑。這些過程通常依賴于分散在高表面積載體材料上的金屬納米粒子，以既最大化催化活性表面積又最經(jīng)濟有效地使用昂貴的催化劑如鈀、鉑、釕或銠。然而，利用過渡金屬納米粒子的催化過程通常是能量密集的、依賴于高溫和高壓以最大化催化活性。

光驅(qū)動的化學(xué)轉(zhuǎn)化可以為傳統(tǒng)的高溫催化反應(yīng)提供有吸引力的且最終可持續(xù)的替代方案。金屬等離激元納米結(jié)構(gòu)可以用于光活性非均相催化劑。等離激元納米粒子使電子密度與電磁輻射獨特地耦合，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)電子在與入射光的頻率的共振中發(fā)生集體振蕩，稱為局域表面等離激元共振(LSPR)。這些共振導(dǎo)致在比納米粒子的物理橫截面大得多的區(qū)域中增強的光吸收，并且這樣的光學(xué)天線效應(yīng)導(dǎo)致在納米粒子表面附近的電磁場大大增強。LSPR可以通過輻射的光子再發(fā)射而衰減，或者通過生成高能“熱”載流子：金屬的費米能以上的電子和/或費米能以下的空穴的非輻射的朗道阻尼(Landau damping)而衰減。

在此上下文中，“熱”是指具有能量的載流子，該能量是在環(huán)境溫度下不會熱產(chǎn)生的等離激元能量的很大一部分。等離激元金屬納米粒子已顯示出通過Au、Ag、Cu以及最近的Al納米粒子中的聲子驅(qū)動或電荷載流子驅(qū)動機制直接在其表面上誘導(dǎo)化學(xué)轉(zhuǎn)化。盡管這些“良好”等離激元金屬可以顯示出等離激元誘導(dǎo)的光催化化學(xué)的初步前景，但總的來說，它們已被證實不是普遍良好的催化材料。

相比之下，非鑄幣過渡金屬作為優(yōu)異的催化劑在歷史上享有先例，但通常被認為是不良的等離激元金屬，因為它們發(fā)生很大的非輻射阻尼，這導(dǎo)致寬光譜特征和在該光譜的可見光區(qū)域內(nèi)的弱吸收。許多催化過渡金屬納米粒子(Pt，Pd，Rh，Ru等)在UV中具有LSPR，但這對于光催化是不利的，因為與常規(guī)激光源或可選地與太陽光譜的重疊性差。增加過渡金屬納米粒子吸收性能的一種選擇是增大過渡金屬納米粒子尺寸，這將使光學(xué)吸收發(fā)生紅移，但同時也會增加成本并減小表面積，并且因此降低催化活性。

本發(fā)明是在來自以下韋爾奇基金會贈款(Welch Foundation Grants)：C-1220和C-1222的支持下完成的。

概述

提供此概述以引入概念的選擇，這些概念將在下面的詳述中進一步描述。此概述不意圖確定所要求保護的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不意圖被用作幫助限制所要求保護的主題的范圍。

在一個方面，本文公開的實施方案涉及一種制備多組分光催化劑的方法，該方法包括從包含等離激元材料的前體和反應(yīng)性組分的前體的前體溶液中誘導(dǎo)沉淀以形成共沉淀粒子；收集該共沉淀粒子；和對該共沉淀粒子進行退火以形成包含與等離激元材料光、電子或熱耦合的反應(yīng)性組分。

在另一方面，本文公開的實施方案涉及一種催化反應(yīng)的方法，該方法包括形成多組分光催化劑前體，其通過包括以下步驟的方法進行：從包含載體材料的前體、等離激元材料的前體和反應(yīng)性組分的前體的前體溶液中誘導(dǎo)沉淀以形成多組分光催化劑前體的共沉淀粒子；和收集該多組分光催化劑前體；將該多組分光催化劑前體加載到高溫反應(yīng)室中；對所加載的多組分光催化劑進行退火以形成包含與等離激元材料光、電子或熱耦合的反應(yīng)性組分的多組分光催化劑；將反應(yīng)物進料到反應(yīng)室中；和用具有與等離激元材料的等離激元共振重疊的波長的光照射反應(yīng)室中的多組分光催化劑。