城大學者使用新型納米粒子和加熱策略將溫差轉為環保能源

「熱釋電催化」（pyroelectric catalysis）能夠將環境的溫度波動轉化為氫氣等潔淨的化學能源。然而，由於自然環境的溫度變化較為緩慢，與光催化等更常見的催化策略相比，熱釋電催化效應的效率一般較差。由香港城市大學（城大）研究人員共同領導的一支科研團隊，最近便利用局部等離激元熱源，成功產生了明顯更快及效率更高的熱釋電催化反應，能夠極其有效地把「熱釋電催化材料」迅速加熱及冷卻。這項嶄新的發現為生物應用、污染物淨化和其他清潔能源生產的高效催化，開闢了新的研究路徑。

熱釋電催化是指由於溫度的波動而帶來熱釋電材料的表面電荷所觸發的催化作用。它是一種從自然環境中收集熱廢能的自供電環保催化技術，在製造清潔能源和生產活性氧物質以用於消毒和染料處理等方面，愈來愈受到關注。

然而，對現時大多數可使用的熱釋電催化材料來說，如果四周環境溫度隨時間的改變不大，它的催化效率便不夠高。由於自然環境溫度的變化往往有限，故此若要提高熱釋電催化的生產效率，更可行的方法是增加冷熱循環次數，即是在極短時間內令物料加熱及降溫並重複多次。可是，若僅使用傳統的加熱方法，要在短時間內令熱釋電催化劑實現多次冷熱循環，則極為困難。

實現多次冷熱循環的挑戰

由城大材料科學及工程學系副教授雷黨願博士共同領導的研究團隊，最近便使用嶄新的冷熱循環策略，克服了上述困難。團隊通過結合熱釋電材料以及貴金屬納米材料的局部「熱等離激元效應」，實現了高速的冷熱循環。

等離激元納米結構中的自由電子在光照下集體振盪，可以有效吸收光子並把它快速轉化為熱能。其納米級的尺寸，能夠在有限的體積內快速有效地改變材料溫度，而不會向周圍環境散失大量熱能。因此，熱等離激元納米結構在局部位置產生的熱能，可以通過在超短時間內開啟或關閉外在的激光照射，從而輕易地作出精确調控。

在實驗過程中，團隊選擇了鈦酸鋇（barium titanate, BaTiO₃）納米顆粒這種典型的熱釋電催化材料。珊瑚狀的BaTiO₃納米顆粒表面包含了金納米顆粒作為等離激元熱源，因金納米顆粒可以把來自脈衝激光的光子直接轉化為熱能。實驗結果顯示，金納米粒子在不導致周圍環境升溫的情況下，能夠成為一個快速、動態和可控的局部熱源，這顯著及有效地提高了BaTiO₃納米粒子的整體熱釋電催化反應速率。

以金納米顆粒作為局部熱源

通過這創新性的策略，科研團隊實現了熱催化產氫的高速率，加速了熱釋電催化的實際應用發展。實驗中，等離激元熱釋電納米反應器在波長為532 nm的納秒激光照射下，通過熱等離子體局部加熱和冷卻，加速了氫氣的製造，達成了高達133.1±4.4 µmol·g^-1·h^-1 的熱釋電催化製氫速率。

此外，今次實驗中使用的納秒激光的重複頻率為10赫茲（Hertz），即每秒有10個激光脈衝照射在催化劑上，實現了10次加熱和冷卻循環。這意味著若通過提高激光脈衝重複頻率，未來將有可能可以進一步提高熱釋電催化的表現。

團隊相信，最新的實驗結果為改善熱釋電催化的效率開闢了新方向，研究人員可透過使用其他光熱材料，設計出創新的熱釋電複合系統，以進一步提高熱釋電催化的表現。這實質性的進展，料將有助將來把「熱釋電催化效應」實際應用於污染物處理和清潔能源的生產。

上述研究成果已經刊登於科學期刊《自然通訊》，標題為〈Accelerated pyro-catalytic hydrogen production enabled plasmonic local heating of Au on pyroelectric BaTiO₃ nanoparticles〉。

論文的第一作者為香港理工大學（理大）尤慧琳博士和時任城大雷黨願博士課題組的博士後研究員的李思祺博士。論文通訊作者是雷博士及理大黃海濤教授。其他科研團隊成員包括來自城大材料科學及工程學系的范玉龍博士和來自理大的其他合作學者。上述研究獲得香港研究資助局和國家自然科學基金委員會優秀青年科學基金的支持。