氢分子活化是加氢催化、氨合成、石油炼制和燃料电池等众多能源化工过程的关键基元反应。铂（Pt）基催化剂因具有优异的氢气活化能力，被广泛应用于加氢催化体系。然而，传统Pt催化加氢过程通常需要较高温度才能实现高效转化，如何在温和条件下实现高效氢气活化一直是催化领域的重要科学问题。近年来，等离激元增强为光驱动氢气活化提供了新的研究思路，但现有研究大多基于纳米颗粒集合体开展宏观平均表征，难以直接解析单个等离激元热点处的局域反应行为；与此同时，活化氢物种在催化剂表面的迁移与传播机制仍缺乏直接的纳米尺度实验观测。因此，实现等离激元热点区域氢气活化过程的原位纳米尺度可视化，并揭示活性氢物种的生成、迁移及长程传播机制，是深入理解等离激元催化过程的关键。

针对这一科学问题，蔡镇锋课题组基于在“表界面反应过程原位纳米表征” 方向的研究积累，与瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）Naresh Kumar 研究员，Jeremy O. Richardson 教授以及中国科学技术大学张尧教授团队合作。研究团队利用针尖增强拉曼光谱技术（Tipenhanced Raman spectroscopy, TERS），以硫醇分子OPE作为分子探针，结合高分辨 TERS成像、有限元方法（FEM）模拟与量子化学和密度泛函理论（DFT）计算，实现了Ag针尖–Pt(111)纳米腔热点附近等离激元增强H₂活化过程的纳米尺度可视化，并进一步追踪了活化氢原子在Pt(111)表面的长程迁移行为。

研究发现，可见光激发产生的局域等离激元热点能够显著增强Pt(111)表面的H₂活化，并在热点周围形成约180–300 nm的局域增强区域，其氢活化程度较外围区域提高约20%。进一步研究表明，活化区域的空间尺度可通过H₂暴露时间和激光激发强度进行调控：在5 s H₂暴露条件下，局域分子脱附区域约为75 nm；提高激光功率后，该区域可进一步扩展至约600 nm。为区分光热效应与热载流子效应在H₂活化过程中的作用，研究团队开展了FEM模拟及一系列对照实验。结果表明，激光照射引起的局域温升仅为毫开量级，远低于引发Pt–S键热断裂所需的温度，从而排除了光热效应作为局域H₂活化增强的主要来源。量子化学计算进一步表明，等离激元激发产生的高能热电子具有足够能量，通过间接热电子转移过程促进H₂分子解离，从而为光驱动H₂活化提供了微观机制解释。更为重要的是，该研究揭示了活化氢原子在Pt(111)表面的长程传播行为，并提出了“拥挤效应（crowd effect）”机制。在等离激元热点区域，大量H₂分子被活化并解离生成氢原子，高浓度氢原子之间的相互作用和表面吸附位点竞争使部分氢原子偏离低能稳定吸附位点，并向具有更高反应活性的位点迁移；随后，氢原子沿Pt(111)表面向热点外围扩散，最终形成远超等离激元近场物理范围的活化区域。该结果表明，等离激元热点不仅能够局域增强H₂活化，还可以通过调控活性氢物种的表面浓度和迁移行为，实现反应影响范围的远程拓展。无光对照实验进一步证实，在缺少等离激元近场的情况下，Ag针尖本身并不会产生类似的局域增强H₂活化现象。

该研究在纳米尺度直接可视化了等离激元增强H₂活化及活化氢原子的长程表面传播行为，揭示了热电子驱动而非光热效应主导的H₂活化过程，并提出“crowd effect”解释活化氢原子远距离迁移和反应区域扩展的微观机制。为理解催化剂表面活性物种扩散行为、设计温和条件下高效的光驱动加氢催化体系提供了直接的纳米实验证据，对发展高效等离子体催化技术具有重要科学参考价值。

该研究以“Nanoscale visualization of plasmonenhanced hydrogen activation on a Pt (111) surface” 为题在线发表在Nature Chemistry上。四川大学为第一单位，化学学院蔡镇锋研究员、中国科学技术大学张尧教授、瑞士苏黎世联邦理工学院Jeremy O. Richardson 教授和Naresh Kumar 研究员为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金委、四川省科技厅及四川大学的经费支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41557-026-02245-z