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Elucidating the Roles of Local and Nonlocal Rate Enhancement Mechanisms in Plasmonic Catalysis

等离子体子 化学 催化作用 纳米颗粒 表面等离子共振 等离子纳米粒子 反应速率 光热治疗 光化学 化学反应 化学物理 纳米技术 化学工程 光电子学 材料科学 有机化学 工程类
作者
Rachel C. Elias,Suljo Linic
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (43): 19990-19998 被引量:77
标识
DOI:10.1021/jacs.2c08561
摘要

Plasmonic metal nanoparticles (e.g., Ag, Au, and Cu) constitute a class of materials that interact with light via the excitation of localized surface plasmon resonance (LSPR). Numerous studies have reported substantial enhancements in the rates of chemical reactions on illuminated plasmonic nanoparticle catalysts compared to corresponding systems in the absence of illumination. There are two mechanisms that have been proposed to explain the LSPR-induced chemical reactivity. One mechanism assumes a local plasmon-induced hot charge-carrier-mediated activation of the reactants, while the other assumes an LSPR-induced equilibrium heating of the catalyst, which leads to energy transfer to and chemical reaction of the adsorbed reactants. In this contribution, we developed a setup amenable to accurate in situ catalyst temperature and kinetic reaction rate measurements. We employed this setup to study the LSPR-induced rate enhancement in a case study of the CO oxidation reaction on plasmonic, monometallic Ag nanoparticle catalysts supported on α-Al2O3. We explored various Ag loadings and clustering levels. Our data show that the equilibrium heating of the catalyst cannot fully explain the illumination-induced plasmonic rate enhancements. This is the case even for high loading and clustering of Ag nanoparticles, where the equilibrium heating significantly increases. Based on the analysis, we propose that local effects, related to the plasmon-induced activation of adsorbates (reactants) via electronic excitation of the reactant or photothermal heating of the reactants that is highly localized to the individual nanoparticles, play a critical role in driving LSPR-induced chemical reactions.
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