近日，石河子大学刘志勇教授和南阳理工学院吴可量副教授团队在光热催化水产氢（PTHE）领域取得突破性研究成果，相关研究以“Bimetallic plasmonic thermo-cycling driven by strong interfacial coupling in dual-hollow structure for enhanced photothermal hydrogen production”（双空心结构中强界面耦合驱动的双金属等离子体热循环促进光热制氢）为题，发表在国际权威期刊《Journal of Colloid And Interface Science》上。

图1.基于软模板结构，构筑双中空H-ZIS_v/Au-Ag肖特基结，硫空位的引入增强了H-ZIS_v与Au-Ag HAPs的界面耦合。光生电子一方面由H-ZIS_v快速向Au-Ag HAPs迁移产氢，另一方面迁移到Au-Ag HAPs的电子通过LSPR效应被直接激发成热电子协同产氢。同时非辐射弛豫产生的热被限制在双中空腔内，提高了H-ZIS_v/Au-Ag内的局部温度，温度的升高提高了等离子体激发的效率，建立了一个闭环系统，造成了光能、化学能和热能相互增强（“等离子体热循环”机制）。

当前，为避免化石燃料消耗和环境退化的恶性循环，光催化制氢作为可持续清洁能源转化的重要途径。然而，传统光催化剂普遍面临两大瓶颈：一是多数研究在紫外和可见光区进行改性，难以有效利用占太阳光谱约53%的近红外光（NIR），导致具有热效应的近红外光区能量的浪费，另外，热效应能够直接提供反应所需的部分能量，显著加速反应动力学；二是光生载流子复合严重，电子与空穴在迁移至表面活性位点前极易快速复合，大幅降低了参与反应的有效载流子数量，解决光催化体系中全光谱利用率与载流子高效分离成为国际研究的核心难题。

图2.（a）H-ZIS_v和H-ZIS_v/Au-Ag模拟电场的空间分布；（b）氢在不同表面位置吸附的ΔG_H*值；不同光激发条件下（c）H-ZIS_v和（d，e）H-ZIS_v/Au-Ag反应过程的光热红外图像；光催化析氢中的（f）光热性能和（g）热电子活性的量化。

针对上述问题，通过引入光热协同催化机制，团队创新性地将光催化剂与光热催化剂相结合，构建了双中空结构（H-ZIS_v/Au-Ag），该结构利用金银中空合金颗粒（Au-Ag HAPs）的局域表面等离子体共振（LSPR）效应结合中空腔体能增强光的多重散射与反射的能力将光吸收拓展至NIR区，显著提升了太阳能利用率；Au-Ag HAPs的LSPR效应显著增强局域电磁场、促进热电子激发，同时形成肖特基结与硫空位介导的强界面耦合，驱动光生电子定向迁移以抑制载流子复合；另一方面，LSPR非辐射衰减产生的光热转换可在催化剂表面形成“纳米热源”，使局部温度显著升高，加速反应动力学。此外，团队通过有限元模拟（FEM）、红外热成像测试与密度泛函理论（DFT）计算相结合的方式，进一步揭示了其催化增强机制。此外，团队通过分波长手段量化了各效应的贡献，基于光场、热场与电荷传输三者之间关系，提出了一种“等离子体热循环”协同机制（PTC）：Au-Ag HAPs的LSPR效应将光能转化为热电子和热能，热量被腔体限域后反向增强LSPR激发与反应动力学，形成“光捕获—热定域—电荷分离—热反馈”的正反馈闭环。该机制使全光谱催化活性显著超越光热与热电子贡献的简单加和，揭示了光热协同增强的本质，为解决光催化体系中全光谱利用与载流子高效分离的核心难题提供了有效策略。

论文通讯作者为石河子大学化学化工学院刘志勇教授和南阳理工学院吴可量副教授；论文第一作者为化学化工学院2023级硕士研究生何善豪；通讯单位为石河子大学。

（图文：刘志勇，初审：张海洋，复审：刘平，终审：徐炜杰）