转自 微纳光学
![]()
关键词：局部表面等离子共振（LSPR, localized surface plasmon resonance）；光催化剂（Photocatalyst）；氧空位（Oxygen vacancies）；锑掺杂（Antimony doping）；氮光固定（Nitrogen Photofixation）研究背景
氨（NH3）作为一种关键化学品，在农业肥料、工业化学品和零碳燃料等领域的重要性。目前，大多数商业氨是通过Haber-Bosch过程生产的，这一过程能耗高且会产生温室气体排放。因此，利用太阳能进行人工光合作用合成氨被认为是实现可持续发展的一种方式。然而，将氮分子（N2）转化为氨在纯水中是一个挑战，因为这需要满足热力学和动力学的要求。理想的光催化剂应具有能量电子以驱动氮还原反应，并在表面具有足够的亲和力以化学吸附和激活氮分子。目前，等离激元金属氧化物因其局部表面等离子共振（LSPR）增强的光转换和丰富的表面氧空位改善了化学吸附和激活氮分子的能力，被认为是有前途的光催化剂。然而，这些氧空位在光催化过程中不稳定，可能会被光生空穴氧化，导致LSPR消失。然而，许多等离激元金属成本高或稳定性差，LSPR的调节受限于调节粒径、形态和周围介质的能力。它们的固定高载流子浓度使得LSPR吸收强但范围窄，只能收集太阳能的一小部分。此外，氧空位的不稳定性也是LSPR的一个限制因素。
研究内容
在本项工作中，研究人员制造了掺杂锑（Sb）的二氧化钼（MoO3）纳米片，即使在高温氧化气氛下经过严酷处理，也能保持稳定的等离激元吸收扩展到近红外（NIR）范围。研究发现，掺杂Sb可以稳定MoO3−x的LSPR吸收，即使在高温空气退火后也能保持。通过实验结果和理论计算，研究人员证明了掺杂Sb和高浓度氧空位形成的附加态接近费米能级。
图文导读
![]()
图1. (a) Sb掺杂MoO3−x纳米片的制备过程示意图，(b) Sb掺杂MoO3−x的SEM， (c) TEM, (d) HRTEM图像，(e) Sb掺杂MoO3−x的TEM- EDS元素图。图2. (a)紫外-可见-近红外吸收光谱，(b)电子顺磁共振（EPR）， (c) Mo 3d的XPS表征，(d) MoO3−x，Sb-MoO3−x和退火样品在600℃空气中的O 1s表征。图3. (a)价带XPS谱。(b)由Mott - Schottky图得出的电化学测量值。(c)光致发光光谱。(d) MoO3−x、Sb-MoO3−x、MoO3和Sb-MoO3的能带结构。图4. (a) MoO3、(b) MoO3−x、(c) Sb-MoO3和(d) Sb-MoO3−x的结构示意图、能带结构和态密度（DOS）。红色、紫色和黄色的球体分别代表O、Mo和Sb元素。图5. （a, b）750 nm激发后MoO3−x和Sb-MoO3−x的瞬态吸收光谱。（c, d） MoO3−x和掺Sb的MoO3−x在1000 nm激发后的瞬态吸收光谱。(e) 750和1000 nm激发后载流子动力学示意图。图6. (a)光催化氮性能。(b) MoO3−x（100）表面和(c) Sb-MoO3−x（100）表面吸附的N2电荷密度差图。N2中电子的变化是通过Bader电荷分析得到的，如图所示。电荷积累和耗尽分别显示为黄色和蓝色区域。等值面为0.02 e Å−3。结论与展望
研究表明，即使在高温空气退火后，掺杂Sb的MoO3−x纳米片也能显示出稳定的LSPR吸收。这种稳定的LSPR主要来源于丰富的氧空位和Sb掺杂引入的额外电子，这一点通过实验和理论计算得到了证实。这项工作强调了使用高价金属离子掺杂新型等离激元半导体光催化剂进行氮固定的潜力。
参考文献：K. Wu, Z. Wang, X. Zhang, C. Sun, Q. Li, H. Zhang, X. Bai, A. Khosla, Z. Zhao, Antimony-doped wide bandgap molybdenum trioxide with enhanced localized surface plasmon resonance for nitrogen photofixation. Langmuir 40, 13603−13612 (2024).文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c01135声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
