利用太阳能驱动催化剂分解水制氢受到科学家的持续关注。然而，过去几十年研究的光催化材料只能利用占太阳光总能量仅4%的紫外光，因此开发具有更宽光谱响应范围的催化剂是光解水制氢的热点方向之一。罗格斯大学Laura Fabris教授课题组设计合成了一种二氧化钛包覆（TiO2）的金纳米星（AuNS）复合催化剂，能够高效地利用近红外波段光谱实现光解水制氢，显著提升太阳光利用率。
研究人员通过溶胶凝胶法制备了异丙醇钛（TTIP）和AuNS混合前驱体，然后将其置于60℃水热反应10天，获得了TiO2包覆的AuNS（AuNS@TiO2）复合催化剂。透射电镜表征显示，AuNS外围出现了一层厚度约为40 nm的壳层，通过晶格常数的测定确认该壳层为TiO2。而为了确保AuNS的产生的热载流子能够有效地注入到TiO2包覆层的表面参与到水的氧化还原反应，必须对包覆层进行调控以使热载流子能够在发生复合前通过薄膜扩散到表面。为此，研究人员对反应温度和时间进行了优化调控（70℃反应2天），将TiO2包覆层厚度降到5 nm（这个厚度小于热载流子的扩散程）。随后对优化后的AuNS@TiO2催化剂进行紫外-可见光谱测试，结果显示该复合催化剂光谱响应极其宽广，从200 nm延伸到了1000 nm近红外区域。最后对制备的催化剂进行电化学测试，结果显示与未使用TiO2包覆的AuNS催化剂相比，AuNS@TiO2的催化裂解水产氢效率显著增加，在20分钟内产氢量超过2.5 mmol H2 g-1，是前者的2倍多。催化性能之所以有如此显著的性能提升，主要归因于AuNS局域表面等离子体共振拓宽了光谱响应范围，同时产生了热载流子通过肖特基势垒注入到TiO2壳层的导带中并传输到表面，使得参与水的氧化还原反应的电子数量增多，产氢增加。
该项研究设计开发了二氧化钛包覆的金纳米星催化剂，通过纳米金星的局域表面等离子体共振拓宽了光谱响应范围，并产生热载流子增强了水的氧化还原反应，实现了近红外光驱动的高效的光解水产氢，为设计开发高效宽光谱响应的光解水催化剂提供了新思路。相关研究工作发表在《Chem》。
