物理化学学报| 温州大学徐全龙课题组：利用等离子体金纳米双锥的强局域电场增强共价有机框架光催化析氢性能研究

本研究通过原位生长策略将具有强局域电场的金纳米双锥（Au NBs）与共价有机框架（COF）TpBD-COF复合，显著提升了材料的光催化析氢性能。电磁场模拟和飞秒瞬态吸收光谱证实，Au NBs通过等离子体共振能量转移（PMRET）机制，在100 fs内将能量传递给COF，有效促进了电荷分离态的形成。优化后的2% AuNBs/TpBD-COF复合材料在420 nm波长下的表观量子效率达到0.58%，析氢速率提升至纯TpBD-COF的3.5倍，且表现出优异的循环稳定性，为理解等离子体增强光催化机制提供了新见解。

2025年9月，物理化学学报在线发表了温州大学徐全龙副教授团队在光催化析氢领域的最新研究成果。该工作报道了通过原位生长策略将具有强局域电场的金纳米双锥与共价有机框架（TpBD-COF）复合，显著提升了材料的光催化析氢性能。论文第一作者为：邓玉金、陈怡爽，论文共同通讯作者为：徐全龙。

背景介绍

随着能源危机与环境污染问题日益严峻，开发清洁可再生能源成为全球关注的焦点。氢能因其高能量密度、绿色无污染等优势，被视为理想的能源载体之一。光催化析氢反应是实现太阳能向化学能转化的重要途径，其中COFs材料因其可调控的电子结构、高比表面积等特性，成为研究热点。然而，COFs材料普遍存在激子分离困难、载流子复合快等问题，限制了其光催化效率。本文通过原位生长策略，将具有强局域电场的Au NBs与TpBD-COF复合，显著提升了其光催化析氢性能。电磁场模拟与飞秒瞬态吸收光谱证实，局域电场通过等离子体共振能量转移机制促进激子分离，为析氢反应提供更多热载流子。

文章所用设备

1、等离子体增强光催化机制

等离子体金属纳米结构可通过局域表面等离子体共振效应，显著增强光吸收与电荷分离效率。本研究通过种子合成法制备了具有尖锐顶端的Au NBs，将其氨基修饰以增强Au NBs与TpBD-COF的界面结合。实验表明，AuNBs/TpBD-COF复合材料在420 nm光照下的表观量子效率达0.58%，析氢速率提升至纯TpBD-COF的3.5倍。

图1 可见光下2% AuNBs/TpBD-COF光催化剂的光催化机理示意图。

2、界面电荷分离与能量转移机制

飞秒瞬态吸收光谱与FDTD模拟结果表明，Au NBs通过等离子体共振能量转移机制，在100 fs内将能量传递给TpBD-COF，诱导其形成电荷分离态，有助于激子解离。此外，光电流与电化学阻抗测试进一步证实，复合材料的载流子分离效率显著提升，界面传输阻力降低。

图2  fs-TAS 图显示 TpBD-COF（a，b）和 2% AuNBs/TpBD-COF（c，d）的特性。(e) 2% AuNBs/TpBD-COF 激子形成机制的示意图。

3、光催化性能与稳定性

在可见光照射下，2% AuNBs/TpBD-COF的析氢速率达6.27 mmol·g⁻¹·h⁻¹，且经过多次循环测试后仍保持稳定，结构未发生明显变化，表现出优异的催化稳定性。

图3 (a) 4小时内的氢气产率及(b) TpBD-COF与AuNBs/TpBD-COF复合材料的平均氢气生成速率。(c) 2% AuNBs/TpBD-COF的循环测试示意图。

本研究成功构建了具有强局域电场的AuNBs/TpBD-COF复合材料，系统阐明了其通过PMRET机制提升光催化析氢性能的物理本质。该工作为精准设计等离子体/半导体复合光催化剂提供了新思路，也为理解局域电场促进电荷分离的机制提供了实验与理论依据。

通讯作者：

徐全龙，温州大学副教授。主要研究方向为：主要从事光催化、有机分子选择性氧化和新能源技术方面的研究。

第一作者：

邓玉金，陈怡爽，温州大学硕士研究生。主要研究方向为：增强共价有机框架基复合材料光催化析氢性能研究。

Deng, Y.; Chen, Y.; Zhang, L.; Jin, H.; Yang, Y.; Xu, Q.; Wang, S. Plasmonic Au Nanobipyramid Assembly Covalent Organic Framework for Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution through Strong Local Electric Field. Acta Phys. Chim. Sin. 2025, 100193.

https://doi.org/10.1016/j.actphy.2025.100193