光催化水分解生產(chǎn)H₂已被認為是一種解決全球能源危機和環(huán)境問題的有效方法。在各種半導體光催化劑中，聚合物氮化碳(PCN)因其無毒性，優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和簡便制備引起了極大的關(guān)注。然而，由于有限的可見光吸收和光生電子和空穴的嚴重復合，PCN的光催化效率仍不理想。為了增強PCN的可見光捕獲能力，已經(jīng)采取了各種策略來通過提高價帶(VB)和/或減少導體帶(CB)邊緣位置來調(diào)控帶隙結(jié)構(gòu)，包括元素摻雜、缺陷構(gòu)建和結(jié)晶等。

但是，與原始PCN相比，具有較高VB和/或較低CB邊緣的窄帶隙PCN通常表現(xiàn)出較低的氧化還原能力。因此，擴展本征吸收邊與保持PCN的氧化還原能力之間的不可調(diào)和的關(guān)系，仍然是一個難以通過簡單的帶隙工程加以解決的難題。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學于永生和楊微微等以聚合物氮化碳(PCN)為載體，構(gòu)建了一個由等離子體金納米粒子(NPs)和具有不同功能的原子分散Pt單原子(PtSA)組成的混合共催化體系。

具體而言，首先在PCN (Au_2.5/PCN)上錨定分散良好、粒徑小于4 nm的金納米粒子，其中調(diào)整粒徑和金屬-載體相互作用可以大大提高金納米粒子作為助催化劑時的H₂析出活性。在420 nm處，Au_2.5/PCN的光催化H₂析出速率達到5.2 mmol g^?1 h^?1。隨后將PtSA摻入到Au_2.5/PCN混合物中，以進一步加速電荷轉(zhuǎn)移和光電子捕獲，特別是對于等離子體熱電子，提高了由LSPR效應驅(qū)動的光催化析H₂性能。

具有金納米粒子和PtSAs協(xié)同作用的PtSAs-Au_2.5/PCN在全可見光照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能：該催化劑在可見光下的H₂析出速率為13.7 mmol g^?1 h^?1，在550 nm處的析出速率為264 μmmol g^?1 h^?1，明顯高于Au/PCN和PtSAs/PCN。

此外，研究人員還揭示了增強型光催化劑的光催化機理：PCN在短波光下被光激發(fā)產(chǎn)生光生電子，協(xié)同的Au NPs和PtSAs捕獲這些光電子用于H₂析出；而金納米粒子吸收相對長波長的光產(chǎn)生等離子體熱電子，這些熱電子可以跳過肖特基勢壘并迅速轉(zhuǎn)移到PtSAs中進行產(chǎn)氫。總的來說，這項工作為寬帶隙半導體與等離子體金屬結(jié)合應用于廣譜光催化能量轉(zhuǎn)換開辟了一條新的途徑。

Improved Plasmonic Hot-Electron Capture in Au Nanoparticle/Polymeric Carbon Nitride by Pt Single Atoms for Broad-Spectrum Photocatalytic H₂ Evolution. Nano-Micro Letters, 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01098-2