多孔SiO2壳层限域的致密相邻Ru纳米颗粒用于等离子体耦合增强光-热催化CO2甲烷化

研究背景：

近年来，等离子体金属纳米结构（如Au、Cu、Pt和Ru）因其独特的光场调控与能量转化特性而成为光热催化领域的研究重点。得益于局域表面等离子体共振（LSPR）效应，这些材料能够突破衍射极限，限制并放大局域电磁场，从而实现光能向局域热效应和高能载流子的高效转化。然而，传统负载型催化剂受限于光谱响应不足，并因界面耗散和黑体辐射带来的热损失而表现出较低的能量利用效率。为突破这一瓶颈，将金属纳米颗粒嵌入介电基质（如SiO₂或MXene）以构筑复合纳米反应器，被普遍视为增强光-物质相互作用并降低热辐射损耗的有效策略。但基于孤立分散纳米颗粒的结构设计仍存在光生响应有限和局域电场增强不足等问题，难以支撑高效的光-化学能转化。相关研究表明，纳米颗粒间的等离子体耦合可在纳米级间隙产生强局域电磁场，且随着颗粒间距的减小，其增强效应愈加显著。当多个纳米颗粒紧密排列时，耦合效应促使局域电磁场进一步增强，这有望通过热电子注入或界面直接激发来有效促进反应物的吸附与活化。此外，颗粒间的集体耦合可诱导显著的宏观热效应，相较单颗粒加热在提升光-热催化性能方面将更具优势。然而，如何充分发挥嵌入介电基质中紧密排列纳米颗粒的光热与光电贡献，并同时解决微尺度热管理难题，仍缺乏深入研究，这在很大程度上制约了高效等离子体光热催化剂的理性设计与发展。

 

研究进展：

上海交通大学周宝文教授团队联合山东大学王凤龙教授团队，提出了一种提升光热催化剂催化效率的新策略。基于有限元方法（FEM）模拟，研究团队系统揭示了，当Ru纳米颗粒在pSiO₂介电基质中呈致密相邻排布时，会产生强烈的等离子体“热点”，显著增强局域电磁场，从而提升光子能量转化效率。同时，pSiO₂的固有隔热特性能够有效抑制热量散失，进而实现高效的纳米尺度热管理。与传统的表面负载型（Ru_m/pSiO₂）和隔离型（Ru₁@pSiO₂）体系相比，所构筑的等离子体耦合限域结构在光电场与热场的协同调控方面展现出显著优势。

受这一理论启发，研究团队发展了一种优化的硅壳包覆策略，在实现pSiO₂壳层稳定可控生长的同时，保持Ru纳米颗粒间的纳米级近邻结构，从而成功构筑了将致密相邻Ru纳米颗粒限域于pSiO₂壳层内的光热纳米反应器（Ru_m@pSiO₂）。为验证其催化功能，团队以光-热耦合CO₂甲烷化反应为模型体系开展了相关研究。结果显示，在250 °C和光照条件下，优化后的Ru_m@pSiO₂-2催化剂以近乎100%的CH₄选择性实现了8.75 mol g_Ru⁻¹ h⁻¹的CH₄生成速率，其速率较Ru_m/pSiO₂和Ru₁@pSiO₂分别提升了3.2倍和2.6倍，并且整体性能超越了目前先进的光热催化剂。值得注意是，即使在冬季低温环境（−4–6 °C）和自然光条件下，该催化剂仍能实现2.26 L g_cat⁻¹ h⁻¹的CH₄产率，展现出其在实际应用中的巨大潜力。

研究进一步发现，与Ru_m/pSiO₂和Ru₁@pSiO₂相比，Ru_m@pSiO₂纳米结构表现出更优异的光捕获能力和光谱响应特性，在光照条件下该纳米反应器内部可形成更高的微观温度场，从而有效促进反应进行。理论计算与实验表征结果表明，等离子体耦合所诱导的强局域电磁场能够显著增强CO₂的吸附与活化，同时促进H₂的解离。此外，与单一的热催化过程相比，引入光照进一步加速了*CO中间体的转化，从而有效推动了CH₄的生成。总体而言，该独特的纳米反应器通过协同整合等离子体强耦合、电磁场限域与纳米尺度热管理，形成了有利的反应微环境，从而显著提升了光-热耦合CO₂甲烷化的整体效率。

 

展望：

该研究揭示了，相较于传统的表面负载型和隔离型催化体系，将致密相邻的Ru纳米颗粒限域于多孔SiO₂介电壳层内能够更高效地利用等离子体衍生能量，从而驱动光–热耦合CO₂甲烷化反应的作用机制。该结构通过等离子体耦合、电磁场限域和纳米尺度热管理的协同作用，实现了优异的CH₄产率与近乎100%的选择性，并在低环境温度和自然光条件下仍保持高催化活性。所提出的“介电基质限域金属等离子体耦合组件”策略为新一代高性能光热催化剂的理性设计提供了一种普适性思路。除Ru之外，该方法有望拓展至其他等离子体金属体系，以实现对光电学和光热学性质的精准调控，从而推动CO₂资源化、太阳能转化及可持续能源利用等领域中多种关键反应的高效转化。

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