Plasmon‐Driven Nitrogen Photoreduction to Ammonia Using Silica‐Encapsulated Au Nanostar/TiO 2 Nanohybrids

材料科学 等离子体子 氮气 纳米技术 无机化学 化学工程 光化学 有机化学 光电子学 化学 工程类
作者
Yoel Negrín‐Montecelo,Ana Sousa‐Castillo,Noel Cardeñoso‐Garrido,Lucía Guillade,Lucas V. Besteiro,Margarita Vázquez‐González,Ramón A. Álvarez‐Puebla,Begoña Puértolas,Miguel A. Correa‐Duarte
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (33) 被引量:17
标识
DOI:10.1002/aenm.202501526
摘要

Abstract Plasmon‐induced photocatalysis has gained traction as a promising means to efficiently drive chemical reactions using light. In particular, photocatalytic N 2 reduction emerges as a sustainable route to produce ammonia, a key starting material in the manufacture of nitrogen‐rich fertilizers and a potential energy vector. Here, various Au nanoparticle morphologies combined with a TiO 2 semiconductor are initially screened, and Au nanostar is identified as the most efficient morphology. Encasing this material within a mesoporous silica shell improved their stability and selectivity to ammonia formation, eliminating the need for hole scavengers. Advanced characterization including TEM and operando SERS spectroscopy together with the evaluation of the material in the presence of optical filters and probes reveal that the superior performance originates from the injection of excited “hot” charge carriers from the plasmonic material to the semiconductor, driving N 2 reduction to NH 3 under visible light. The wavelength‐dependence experiments demonstrate a synergistic interaction between gold interband transitions and plasmonic effects, combined with the TiO 2 semiconductor, which enhances catalytic performance across the spectrum. Importantly, hot holes generated at the plasmonic sites oxidize water into oxygen and subsequently to nitrates, maintaining charge balance in the photocatalyst. This dual functionality ensures effective charge circulation and sustainable performance across multiple cycles.
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