Angew. Chem. ：等离激元Cu纳米颗粒低温光驱动水煤气变换制氢

氢气（H₂）是一种非常有前景的能源载体，水煤气变换反应（CO + H₂O → CO₂ + H₂）是当今化学工业中用于H₂生产的不可或缺的催化过程。为了降低H₂生产的成本及化石能源消耗，研究人员利用Cu基氧化物半导体催化剂在光照条件下实现了水煤气变换反应制氢。然而，反应条件苛刻，仍然需要较高的温度才能展现出较高的活性，且在较低温度（< 250 ℃）下的性能仍然低于热催化中贵金属基催化剂。因此开发一种廉价、且高活性的水煤气变换制氢催化剂具有重要的意义。

近日，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员团队通过设计一种层状双金属氢氧化物（水滑石）拓扑转变生成的Cu纳米颗粒催化剂，利用其二维结构的优势和高密度Cu纳米颗粒结构的光热与等离激元效应，实现了在低温下（150 ℃-250 ℃）光驱动水煤气变换的高产氢活性。

研究发现，水滑石前驱体在催化剂制备中存在明显的结构拓扑转变现象，在转变至金属氧化物和还原至氧化铝负载的Cu纳米颗粒的过程中仍维持前驱体特有的二维纳米片结构。X射线吸收光谱与电子显微镜表征进一步证实了Cu的物相结构从氢氧化物转变为氧化物，进而转变为单质Cu纳米颗粒。

随后作者对得到的Cu纳米颗粒催化剂的吸光性和产氢性能进行测试，研究发现550nm左右的单色光可以有效激发二维平面上紧密排布Cu纳米颗粒的局域表面等离子共振，产生光生热电子、近表面电场增强及促进反应中间体生成等现象。这些效应有利于低温下水分子在催化剂表面的活化，从而导致光驱动的水煤气变换展现出比相同温度的暗反应条件下更高的产氢速率。

作者进一步利用激发态的密度泛函理论计算分别从热力学和动力学角度解释了电子在光驱动水煤气变换中的作用。在金属Cu纳米颗粒的表面，由光致等离激元效应产生的热电子显著降低了催化剂表面吸附态水分子的解离能垒及吸附态氢原子偶联到H₂的反应能垒，使得光照条件下产氢活性得到显著提升。该工作首次报道了等离激元Cu纳米结构对光驱动水煤气变换反应的促进作用，为开发用于低温光驱动反应的低成本Cu基催化剂提供了研究思路。

论文信息

Plasmonic Cu Nanoparticles for the Low-temperature Photo-driven Water-gas Shift Reaction

Jiaqi Zhao, Ya Bai, Zhenhua Li, Dr. Jinjia Liu, Dr. Wei Wang, Pu Wang, Dr. Bei Yang, Dr. Run Shi, Prof. Geoffrey I. N. Waterhouse, Prof. Xiao-Dong Wen, Prof. Qing Dai, Prof. Tierui Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202219299