【DFT+实验】Nature子刊：金纳米粒子与钴卟啉的强协同作用诱导高效光催化析氢

2024年4月5日上午10:14 • 计算 • 阅读 32

由于等离子体效应的存在，等离子体纳米结构附近的反应物的反应效率可以显著提高。

基于此，南京工业大学吕刚教授（通讯作者）等人开发了一种高效、稳定的光催化析氢反应（HER）体系，该体系通过钴卟啉分子（CoTPyP）催化剂与等离子体金纳米粒子（AuNPs）复合，其周围存在局域电磁场、局部加热和增强的热载流子激发的等离子体效应。优化后，HER的速率和转换频率分别达到3.21 mol g^-1h^-1和4650 h^-1。

【DFT+实验】Nature子刊：金纳米粒子与钴卟啉的强协同作用诱导高效光催化析氢

本文通过DFT计算对AuNP@CoTPyP体系进行了理论研究。首先通过分波态密度（PDOS）探索了AuNPs对CoTPyP分子电子结构的影响，与CoTPyP分子相比，AuNP@CoTPyP的Co 3d轨道中心向费米能级方向移动，说明AuNPs的存在有利于CoTPyP分子的激发。

此外，还计算了AuNP@CoTPyP和CoTPyP中H*的差分电荷密度，AuNP@CoTPyP的电子更容易从Co中心转移到H*上，更有助于生成H₂分子。

本文进一步计算了Gibbs自由能以研究AuNPs对CoTPyP催化HER反应的贡献。CoTPyP和AuNP@CoTPyP上吸附H*的Gibbs自由能分别为0.16 eV和-0.13 eV，因此，AuNP@CoTPyP上的HER速率高于CoTPyP分子。

此外，等离激元产生的热载流子可以有效地转移到CoTPyP分子的LUMO上，激发的CoTPyP分子具有更有利的HER反应活性。因此，AuNP@CoTPyP体系可以作为一种高效的HER光催化剂。

Strong synergy between gold nanoparticles and cobalt porphyrin induces highly efficient photocatalytic hydrogen evolution. Nat. Commun., 2023.

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