Mechanistic Understanding of Plasmon-Enhanced Electrochemistry

过电位 等离子体子 电化学 材料科学 激发 表面等离子共振 光热治疗 电催化剂 纳米颗粒 光化学 化学 纳米技术 化学物理 电极 光电子学 物理化学 物理 量子力学
作者
Andrew J. Wilson,Varun Mohan,Prashant K. Jain
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (48): 29360-29369 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b10473
摘要

Noble metals are prime candidates for electrocatalysts for electrochemical energy conversions. In a separate realm, nanostructured noble metals are found to exhibit photocatalytic activity under plasmonic excitation with no electrical bias. Here, we explore the convergence of the electrocatalytic and photocatalytic activity of nanostructured noble metals in electrochemical reactions performed under plasmonic excitation. We use as a model the hydrogen evolution reaction (HER) on Au nanoparticle (NP) electrocatalysts. We observe that plasmonic excitation of the Au NP electrocatalyst enhances the HER activity. We trace the mechanistic origin of this plasmonic enhancement by using a combination of electrochemical techniques. Specifically, we resolve the contribution of hot carriers from that of heat generated by plasmonic excitation in the observed enhancement. Although photothermal heating plays a minimal role, hot electrons generated by plasmon excitation result in cathodic photocharging of the Au NP electrode, which enhances interfacial electron-transfer kinetics and manifests in a reduced overpotential. The higher the light intensity, the greater is the decrease in the overpotential, that is, the activation barrier. The photopotential resulting from plasmonic excitation exclusively enhances the Faradaic reaction without an increase in the double-layer charging. In summary, this article provides a unified model of the influence of plasmonic excitation on an electrochemical reaction.
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