有效的收集太陽能和轉化是解決能源危機的潛在方法。在各種技術中，等離子體光催化劑受到了極大的關注，而對局域表面等離子共振(LSPR)的研究也取得了前所未有的進展。雖然等離子體介導的一些光氧化還原催化機制已經被認識到，但如何發展不同機制之間的協同效應，實現多種功能的有機整合仍是一個挑戰。基于此，石河子大學楊盛超、劉志勇和李永生(共同通訊)等人通過高溫氫還原和熱溶劑法制備了具有異質結結構和LSPR的CdS/Au-Ag/B-TiO₂光催化劑，CdS/Au-Ag/B-TiO₂在光催化測試中展現出了優異的性能。

本文進行了兩種最常見的光催化反應，測試光催化析氫反應(HER)和光催化二氧化碳還原反應(CO₂RR)。本文在全光譜(AM=1.5)下評估了CdS/Au-Ag/B-TiO₂復合材料的光催化析氫性能。在相同的反應條件下，還測試了純TiO₂(B)和CdS的光催化析氫性能。根據CdS/Au-Ag/B-TiO₂、TiO₂(B)和CdS的光催化產氫量與輻照時間的關系圖可以發現，催化劑的產氫量隨反應時間的變化呈線性增加。相應的，具有不同CdS含量的CdS/Au-Ag/B-TiO₂的反應性能均優于TiO₂(B)和CdS。

結果表明，Cd₃Ti₂的H₂產率為15.97 mmol h^-1 g^-1，與TiO₂(B)(0.66 mmol h^-1 g^-1)和CdS(0.89 mmol h^-1 g^-1)相比，分別提高了24.2倍和17.9倍。更加重要的是，Cd₃Ti₂在365 nm和420 nm時的表觀量子效率(AQE)分別為10.6%和1.7%，這均表明Cd₃Ti₂具有優異的光催化產氫性能。

之后，本文還繼續在全光譜(AM=1.5)下測試了光催化劑的CO₂RR性能。測試結果表明，催化劑的反應后產物主要是CH₄和CO，CdS/Au-Ag/B-TiO₂異質結構光催化劑表現出顯著提高的CO₂還原活性，而TiO₂(B)和CdS對CO₂的還原則均表現出較低的光催化活性。

非常值得關注的是，催化劑的光催化活性可以通過調節B-TiO₂和CdS的相對比例來優化，CdS/Au-Ag/B-TiO₂的光催化活性隨著CdS與B-TiO₂的質量比從1:4到1:1而略有變化。然而，當CdS與B-TiO₂的質量比超過1:1時，CO₂的還原速率開始顯著提高。

在所有復合光催化劑中，Cd₃Ti₂和Cd₄Ti₁分別表現出最佳的CH₄和CO產率，Cd₃Ti₂的CH₄產率最高為14.2 μmol h^-1 g^-1，是CdS的15.8倍(TiO₂(B)沒有產CH₄活性)。而Cd₄Ti₁的CO產率最高為327.2 μmol h^-1 g^-1，分別是TiO₂(B)和CdS的5.4倍和36倍。根據以上分析，Type II和Z-Type復合異質結構結合能量共振轉移等機制有效的改善了催化劑的電荷轉移動力學，從而實現了高效的光催化CO₂RR和HER。

本文的時域有限差分模擬和密度泛函理論計算還建立了催化劑的光催化增強機理。研究表明，本文的Au-Ag合金納米粒子在體系中發揮了電子介質的作用，促進了體系中低能電子和低能空穴的結合，從而提高了高能電子的利用率，Au-Ag合金納米粒子強大的表面等離子體共振效應還促進了這一過程。

此外，基于能量共振轉移機制，光吸收在全光譜中不受半導體帶隙的限制，載流子在帶隙上方和下方的能級上產生和分離。對于Au₃Ag₇-CdS和Au₃Ag₇-TiO₂之間的界面，一個內建電場驅動低能電子從TiO₂轉移到Au-Ag納米粒子，低能光生空穴從CdS轉移到Ag-Au合金，它們在Au-Ag納米粒子上復合。

最后，高能量的光激發電子將留在CdS的導帶上，而高能量的空穴將留在TiO₂的價帶上。通過密度泛函理論計算還驗證了光激發電荷的分離，強電磁場作用在Au-Ag納米粒子上，會加速低能電子和空穴的轉移。時域有限差分模擬進一步驗證了局域電磁場增強的機制，CdS/Au-Ag/B-TiO₂復合結構提供兩個電場來驅動電荷分離，這兩個電場的疊加可以顯著提高CdS/Au-Ag/B-TiO₂的光催化性能。

綜上所述，本文利用能量共振轉移機制成功制備了新型CdS/Au-Ag/B-TiO₂復合異質結構催化劑，有效的提高了其在可見光下的光催化性能。總之，本文的工作對于理解等離子體金屬基異質結構催化劑的結構-性質-催化之間的關系，以及利用等離子體合理設計催化體系具有重要意義。

Synergetic Effect of the Interface Electric Field and the Plasmon Electromagnetic Field in Au-Ag Alloy Mediated Z-type Heterostructure for Photocatalytic Hydrogen Production and CO₂ Reduction, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122700.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122700.