Plasmonic nanocatalysts for sustainable energy conversion

Kang, Yicui (2025): Plasmonic nanocatalysts for sustainable energy conversion. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Rapid industrialization and technological advancements have dramatically transformed modern life, but they have also led to severe environmental challenges, including excessive CO2 emissions, dependence on nonrenewable fossil fuels, and escalating plastic waste pollution. Addressing these urgent issues requires the development of sustainable energy conversion technologies. A promising approach is to harness sunlight, an abundant and renewable energy source, to drive catalytic processes that transform pollutants into valuable fuels and chemicals. Artificial photosynthesis, inspired by natural processes, offers a promising approach by converting CO2 and water into valuable fuels and chemicals using renewable energy. This process involves key reactions such as hydrogen evolution (HER) and CO2 reduction (CO2RR). Additionally, hydrogen peroxide (H2O2) has emerged as an alternative energy carrier with a power density comparable to pressurized hydrogen, offering a safer and more practical storage and transportation option. Plastic photoreforming presents another innovative strategy by utilizing renewable energy to simultaneously degrade plastic waste and generate hydrogen, providing a dual-benefit approach to pollution mitigation and clean energy production. However, despite their potential, these methods face significant challenges, including slow reaction kinetics, low conversion efficiency, and poor selectivity, limiting their industrial applicability. Among the different approaches proposed to address these challenges, localized surface plasmon resonance (LSPR)-assisted catalysis has garnered significant interest. Plasmonic nanoparticles exhibit remarkable light absorption properties across a broad range of wavelengths, efficiently capturing and converting sunlight with a nanoscale. When exposed to resonant light, they exhibit unique properties such as enhanced electric fields, hot carrier generation, and localized heating effects, which can significantly improve catalytic activity and selectivity across various energy conversion processes. Furthermore, the tunability of plasmonic nanoparticles through modifications in shape and composition enables precise control over their optical and catalytic properties. These unique properties position plasmonic catalysis as a powerful tool for extending solar energy utilization beyond photovoltaics, enabling solar fuel production and photocatalytic reforming. However, despite notable progress, catalytic performance remains suboptimal, and the underlying mechanisms governing plasmonic-enhanced catalysis are not yet fully understood, necessitating further investigation. This thesis systematically explores the role of plasmonic nanocatalysts in energy conversion by addressing material preparation, characterization, and catalytic performance. First, it introduces the theoretical foundations of plasmonic phenomena and their implications in catalysis, followed by an in-depth discussion of the synthesis and characterization of plasmonic nanoparticles. Next, it investigates facet-dependent effects in plasmon-assisted electrocatalysis for CO2RR and HER, demonstrating how LSPR influences active site distribution and enhances reaction kinetics. The study then explores Au@TiO2 core-shell nanostructures, elucidating the role of LSPR in improving charge transfer efficiency and boosting photocatalytic H2O2 production rates. Finally, the thesis presents a novel hybrid Au-FeSA-MCN system for plastic photoreforming, integrating plasmonic nanoparticles with single-atom catalysts to enable simultaneous plastic degradation and hydrogen generation. Overall, this thesis provides a comprehensive study on plasmonic nanocatalysts for energy and environmental applications, bridging fundamental insights with practical innovations. The findings highlight the transformative potential of LSPR-assisted catalysis in optimizing solar energy utilization for sustainable energy conversion, laying the foundation for future advancements in scalable and efficient photocatalytic technologies.

Abstract

Die rasante Industrialisierung und technologischen Fortschritte haben das moderne Leben erheblich verändert, aber sie haben auch zu schwerwiegenden Umweltproblemen geführt, darunter übermäßige CO2-Emissionen, die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen und die zunehmende Verschmutzung durch Plastikabfälle. Die Bewältigung dieser dringenden Herausforderungen erfordert die Entwicklung nachhaltiger Technologien zur Energieumwandlung. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, Sonnenlicht – eine reichlich vorhandene und erneuerbare Energiequelle – zu nutzen, um katalytische Prozesse anzutreiben, die Schadstoffe in wertvolle Brennstoffe und Chemikalien umwandeln. Die künstliche Photosynthese, inspiriert von natürlichen Prozessen, bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Umwandlung von CO2 und Wasser in wertvolle Brennstoffe und Chemikalien unter Nutzung erneuerbarer Energie. Dieser Prozess umfasst zentrale Reaktionen wie die Wasserstoffentwicklung (HER) und die CO2-Reduktion (CO2RR). Darüber hinaus hat sichWasserstoffperoxid (H2O2) als alternativer Energieträger mit einer Leistungsdichte vergleichbar zu komprimiertem Wasserstoff herausgestellt und bietet eine sicherere und praktikablere Option für Speicherung und Transport. Die photokatalytische Kunststoffreformierung stellt eine weitere innovative Strategie dar, bei der erneuerbare Energie genutzt wird, um gleichzeitig Kunststoffabfälle abzubauen und Wasserstoff zu erzeugen, was eine doppelte Lösung zur Reduzierung der Umweltverschmutzung und zur nachhaltigen Energiegewinnung bietet. Trotz ihres Potenzials stehen diese Methoden jedoch vor erheblichen Herausforderungen, darunter langsame Reaktionskinetik, geringe Umwandlungseffizienz und unzureichende Selektivität, die ihre industrielle Anwendbarkeit einschränken. Unter den verschiedenen vorgeschlagenen Ansätzen zur Bewältigung dieser Herausforderungen hat die katalytische Nutzung der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) erhebliches Interesse geweckt. Plasmonische Nanopartikel weisen bemerkenswerte Lichtabsorptionsfähigkeiten über ein breites Wellenlängenspektrum auf und können Sonnenlicht auf der Nanoskala effizient erfassen und umwandeln. Bei Bestrahlung mit resonantem Licht zeigen sie einzigartige Eigenschaften wie verstärkte elektrische Felder, die Erzeugung heißer Ladungsträger und lokalisierte Erwärmungseffekte, die die katalytische Aktivität und Selektivität in verschiedenen Energieumwandlungsprozessen erheblich verbessern können. Darüber hinaus ermöglicht die gezielte Modifikation der Form und Zusammensetzung plasmonischer Nanopartikel eine präzise Steuerung ihrer optischen und katalytischen Eigenschaften. Diese einzigartigen Eigenschaften machen die plasmonische Katalyse zu einem leistungsstarken Werkzeug, um die Nutzung von Solarenergie über Photovoltaik hinaus zu erweitern und die Herstellung von Solar-Brennstoffen sowie die photokatalytische Reformierung zu ermöglichen. Trotz bedeutender Fortschritte bleibt die katalytische Leistung jedoch suboptimal, und die zugrundeliegenden Mechanismen, die die plasmonunterstützte Katalyse bestimmen, sind noch nicht vollständig verstanden, was weitere Untersuchungen erforderlich macht. Diese Dissertation untersucht systematisch die Rolle plasmonischer Nanokatalysatoren in der Energieumwandlung unter Berücksichtigung der Materialherstellung, Charakterisierung und katalytischen Leistung. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen plasmonischer Phänomene und deren Bedeutung für die Katalyse vorgestellt, gefolgt von einer eingehenden Diskussion über die Synthese und Charakterisierung plasmonischer Nanopartikel. Anschließend werden facettenabhängige Effekte in der plasmonunterstützten Elektrokatalyse für CO2RR und HER untersucht, um zu zeigen, wie LSPR die Verteilung aktiver Zentren beeinflusst und die Reaktionskinetik verbessert. Danach wird die Rolle von Au@TiO2-Kern-Schale-Nanostrukturen analysiert, insbesondere hinsichtlich der Verbesserung der Ladungstransfereffizienz und der Steigerung der photokatalytischen H2O2-Produktionsrate durch LSPR. Schließlich wird ein neuartiges hybrides Au-FeSA-MCN System für die Kunststoff-Photoreformierung vorgestellt, das plasmonische Nanopartikel mit Einzelatomkatalysatoren kombiniert, um die simultane Kunststoffzerlegung und Wasserstofferzeugung zu ermöglichen. Insgesamt bietet diese Dissertation eine umfassende Untersuchung plasmonischer Nano-katalysatoren für Energie- und Umweltanwendungen und verbindet grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse mit praktischen Innovationen. Die Ergebnisse unterstreichen das transformative Potenzial der LSPR-unterstützten Katalyse zur Optimierung der Solarenergie-Nutzung für eine nachhaltige Energieumwandlung und bilden die Grundlage für zukünftige Fortschritte in skalierbaren und effizienten photokatalytischen Technologien.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Localized surface plasmon, Nanocatalysts, Sustainable energy conversion
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. März 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Cortés, Emiliano