城大学者使用新型纳米粒子和加热策略将温差转为环保能源

“热释电催化”（pyroelectric catalysis）能够将环境的温度波动转化为氢气等洁净的化学能源。然而，由于自然环境的温度变化较为缓慢，与光催化等更常见的催化策略相比，热释电催化效应的效率一般较差。由香港城市大学（城大）研究人员共同领导的一支科研团队，最近便利用局部等离激元热源，成功产生了明显更快及效率更高的热释电催化反应，能够极其有效地把“热释电催化材料”迅速加热及冷却。这项崭新的发现为生物应用、污染物净化和其他清洁能源生产的高效催化，开辟了新的研究路径。

热释电催化是指由于温度的波动而带来热释电材料的表面电荷所触发的催化作用。它是一种从自然环境中收集热废能的自供电环保催化技术，在制造清洁能源和生产活性氧物质以用于消毒和染料处理等方面，愈来愈受到关注。

然而，对现时大多数可使用的热释电催化材料来说，如果四周环境温度随时间的改变不大，它的催化效率便不够高。由于自然环境温度的变化往往有限，故此若要提高热释电催化的生产效率，更可行的方法是增加冷热循环次数，即是在极短时间内令物料加热及降温并重复多次。可是，若仅使用传统的加热方法，要在短时间内令热释电催化剂实现多次冷热循环，则极为困难。

实现多次冷热循环的挑战

由城大材料科学及工程学系副教授雷党愿博士共同领导的研究团队，最近便使用崭新的冷热循环策略，克服了上述困难。团队通过结合热释电材料以及贵金属纳米材料的局部“热等离激元效应”，实现了高速的冷热循环。

等离激元纳米结构中的自由电子在光照下集体振荡，可以有效吸收光子并把它快速转化为热能。其纳米级的尺寸，能够在有限的体积内快速有效地改变材料温度，而不会向周围环境散失大量热能。因此，热等离激元纳米结构在局部位置产生的热能，可以通过在超短时间内开启或关闭外在的激光照射，从而轻易地作出精确调控。

在实验过程中，团队选择了钛酸钡（barium titanate, BaTiO₃）纳米颗粒这种典型的热释电催化材料。珊瑚状的BaTiO₃纳米颗粒表面包含了金纳米颗粒作为等离激元热源，因金纳米颗粒可以把来自脉冲激光的光子直接转化为热能。实验结果显示，金纳米粒子在不导致周围环境升温的情况下，能够成为一个快速、动态和可控的局部热源，这显著及有效地提高了BaTiO₃纳米粒子的整体热释电催化反应速率。

以金纳米颗粒作为局部热源

通过这创新性的策略，科研团队实现了热催化产氢的高速率，加速了热释电催化的实际应用发展。实验中，等离激元热释电纳米反应器在波长为532nm的纳秒激光照射下，通过热等离子体局部加热和冷却，加速了氢气的制造，达成了高达133.1±4.4µmol·g-¹·h-¹的热释电催化制氢速率。

此外，这次实验中使用的纳秒激光的重复频率为10赫兹（Hertz），即每秒有10个激光脉冲照射在催化剂上，实现了10次加热和冷却循环。这意味着若通过提高激光脉冲重复频率，未来将有可能可以进一步提高热释电催化的表现。

团队相信，最新的实验结果为改善热释电催化的效率开辟了新方向，研究人员可透过使用其他光热材料，设计出创新的热释电复合系统，以进一步提高热释电催化的表现。这实质性的进展，料将有助将来把“热释电催化效应”实际应用于污染物处理和清洁能源的生产。

上述研究成果已经刊登于科学期刊《自然通讯》，标题为〈Accelerated pyro-catalytic hydrogen production enabled plasmonic local heating of Au on pyroelectric BaTiO₃ nanoparticles〉。

论文的第一作者为香港理工大学（理大）尤慧琳博士和时任城大雷党愿博士课题组的博士后研究员李思祺博士。论文通讯作者是雷博士及理大黄海涛教授。其他科研团队成员包括来自城大材料科学及工程学系的范玉龙博士和来自理大的其他合作学者。上述研究获得香港研究资助局和国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金的支持。

 本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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