基于局域表面等離子體共振效應，強化MXene電催化活性的新策略
局域表面等離子體共振（LSPR）效應是一種基于光-物質的相互作用進行能量轉換，進而調控納米結構表面電磁場與載流子性質的重要手段。基于貴金屬納米粒子的LSPR效應構筑高性能光電催化劑一直是化學與材料領域的研究熱點，其中瓶頸性的難題是貴金屬納米結構中光生載流子壽命極短，難以與化學反應有機耦合。金屬-半導體異質結能夠有效提升光生載流子的分離效率與壽命，但其利用效率及傳輸效率仍大幅受制于界面處的肖特基勢壘與缺陷態束縛效應。與此同時，寬帶隙半導體的低本征載流子濃度與較窄的光吸收頻譜也限制了催化效率的提升。
基于二維過渡金屬碳化物/氮化物的MXene是一類新型的二維功能材料，具有從金屬性到半導體連續可調的電子結構和豐富的表面化學性質，在儲能、催化、環境、生物、電子、電磁屏蔽、超導、傳感、分離技術、超導等諸多領域顯示出廣泛的應用前景，其多元的化學組成與晶體結構為其物理化學性質與使役功能之調控提供了廣闊的空間。與貴金屬納米顆粒相比，MXene具有類金屬但低于金屬4-5個數量級的本征載流子濃度及更大的二維光吸收截面，在紫外-可見-紅外區域內具有優異的光吸收能力和顯著的LSPR效應，在光生載流子高效激發與催化應用方面極具潛力，但在國內外尚缺乏系統深入的研究。
近日，大連理工大學精細化工國家重點實驗室王治宇教授、邱介山教授與中科院大連化物所吳凱豐研究員合作，基于MXene的獨特結構與物理性質，在外源電場驅動下，以電化學催化析氫反應為探針，研究揭示了不同化學組成與晶體結構的MXene（如Ti3C2Tx，V4C3Tx，Nb2CTx）之LSPR效應的產生機制以及對電化學催化反應過程的強化作用原理。他們利用飛秒激光技術，發現MXene在可見-近紅外光譜區域的LSPR效應導致顯著的光熱轉化與亞皮秒級熱電子效應；其中，光熱效應通過提供熱能與降低濃差極化，降低了析氫反應的過電勢，而熱電子注入效應則更利于降低析氫反應的活化能。在不同pH環境中與光輻照條件下，這一耦合強化機制可使MXene的電催化析氫活性提升5倍以上。這一工作有機融合了凝聚態物理、光學、化學與材料等交叉學科的技術與原理，為發展新型高效光電響應催化材料新體系提供了新的思路。
上述工作近期發表在Angewandte Chemie International Edi.tion（DOI: 10.1002/anie.202016181），論文第一作者為大連理工大學博士研究生吳秈虹，研究工作得到了國家自然科學基金會、遼寧省科技廳、大連理工大學等資助支持。
