单颗粒光催化剂光生电荷的全时空传输过程

陈春城; 赵进才

doi:10.7536/PC221125

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (11) :2329-2330 DOI: 10.7536/PC221125

中国化学印记

扫码查看或转发全文

单颗粒光催化剂光生电荷的全时空传输过程

陈春城 ,
赵进才 ^*

作者信息 +

Spatiotemporal Transfer Process of Photogenerated Charge in Single-Particle Photocatalyst

Chuncheng Chen ,
Jincai Zhao ^*

Author information +

文章历史 +

Abstract

A series of spatiotemporally resolved surface photovoltage techniques were used to investigate the pho-togenerated charge transfer process within sub-picosecond to second timescale and at sub-micrometer level on single-particle cuprous oxide photocatalyst. A spatiotemporal charge transfer image was pictured. It is found that the high efficiency in charge separation of the facet-specific cuprous oxide single-particle originates mainly from the ultrafast quasi-ballistic inter-facet hot electron transfer process. These findings give a fascinating and deep insight into the photoinduced charge transfer mechanism in semiconductor photocatalyst, and pave a refreshed way to developing photocatalyst.

Graphical abstract

引用本文

引用格式 ▾

陈春城, 赵进才. 单颗粒光催化剂光生电荷的全时空传输过程[J]. 化学进展, 2022, 34(11): 2329-2330 DOI:10.7536/PC221125

Chuncheng Chen, Jincai Zhao. Spatiotemporal Transfer Process of Photogenerated Charge in Single-Particle Photocatalyst[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(11): 2329-2330 DOI:10.7536/PC221125

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

半导体光催化可利用太阳能引发众多氧化还原反应，其中最受关注的是将水分解为氢气和氧气^[1]，将二氧化碳还原为高值化学品^[2]，以及将水和空气中污染物进行氧化还原消除^[3]，为解决人类面临的能源危机和环境恶化等问题提供了极具前景的解决方案。如何提高效率是光催化应用过程中面临的首要问题，而对光催化机制的深入理解是提高光催化效率的必要前提。

最近，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、范峰滔研究员团队通过多种时空分辨技术和手段，在亚皮秒到秒的时间尺度以及亚微米的空间分辨率的范围内，对具有各向异性单颗粒光催化剂上光致电荷分离传输过程进行系统而深入地研究，首次成功地描绘出了光生电荷（电子和空穴）在单颗粒催化剂不同区域的分布、转移及其随时间的演化过程，并对这些光致电荷转移过程的内在机制及其对光催化剂活性（光解水）的影响进行了阐述^[4]。相关研究成果发表在Nature上。

半导体光催化反应可分为三个基本过程：催化剂的吸光过程、光生电荷的分离传输过程以及界面反应过程，这三个过程共同决定了光催化反应的最终效率。其中电荷分离传输通常认为是在半导体内建电场的驱动下光生电子和空穴向催化剂表面扩散迁移（drift-difusion）的过程。科学家已经能够通过瞬态光谱等手段对粉体和膜状光催化剂的光生电荷分离的宏观动力学行为进行研究^[5,6]。另外，近来研究表明光催化剂颗粒不同暴露晶面之间电子结构的差异，可以使得不同晶面表现出不同的电子和空穴的定向捕获行为和氧化还原活性^[7,8]。但是不同晶面间电荷定向分离传输的单颗粒层面的微观动力学行为一直不清楚。

为了研究单颗粒光催化剂的电荷定向分离行为，他们首先通过晶面调控技术合成了具有不同晶面（{001} 面和 {111}面）暴露的各向异性微米氧化亚铜单颗粒，并成功在不同晶面可控合成了不同类型的缺陷结构（图1a）。由于不同晶面及其缺陷对电子和空穴具有不同的捕获和亲和能力，不同晶面间形成了内建电场，从而为光生电荷分离和定向传输提供了内在驱动力。他们通过表面光电压成像技术清晰地观察到了空穴与电子在不同晶面截然不同的选择性富集分布特征：光生电子倾向于捕获到{001} 面，但空穴选择性富集到{111}面（图1b）。接下来他们利用时间分辨光发射显微镜、瞬态表面光电压光谱等技术对光生电荷的迁移进行了跟踪，观察到光生电子从{111}面向{001}面的快速面间迁移过程（0.2 ps之内完成）。更有趣的是，传统的光生电子扩散迁移机制并不能解释这一面间超快电子转移过程。因此他们提出了光生电子在晶面间传输是通过准弹道机制（quasi-ballistic model）进行的。进一步，在更长的时间窗口（纳秒到微秒）内，他们观察到通过{111}面浅层缺陷结构选择性捕获而实现的空穴转移；在更长时间（毫秒到秒）的时间尺度内观察到电子和空穴的稳态分布。并且还通过金纳米在{001}面的选择性光催化沉积以及晶面缺陷对光催化析氢反应的增强，验证了他们提出的电荷分离机制在实际光催化反应中的应用。

本研究在技术和手段上最突出的特点是多种时间分辨和空间分离表征技术的结合和接力。研究结果不但为我们呈现了更加清晰和更加完备的半导体光催化的电荷分离传输过程，也深刻揭示了各向异性光催化剂颗粒高效电荷分离的根源：晶面间的准弹道超快电荷分离以及相对较慢的晶面内的电荷捕获。同时该研究也为研究其他光催化体系以及更加复杂的界面反应提供很好的研究范式和实验平台，对光催化效率的提高以及新催化剂的设计也具有重要参考价值。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Takata T, Jiang J Z, Sakata Y, Nakabayashi M, Shibata N, Nandal V, Seki K, Hisatomi T, Domen K. Nature, 2020, 581(7809): 411.

[2]	Wu Y A, McNulty I, Liu C, Lau K C, Liu Q, Paulikas A P, Sun C J, Cai Z H, Guest J R, Ren Y, Stamenkovic V, Curtiss L A, Liu Y Z, Rajh T. Nat. Energy, 2019, 4(11): 957.

[3]	Chen C C, Ma W H, Zhao J C. Chem. Soc. Rev., 2010, 39(11): 4206.

[4]	Chen R T, Ren Z F, Liang Y, Zhang G H, Dittrich T, Liu R Z, Liu Y, Zhao Y, Pang S, An H Y, Ni C W, Zhou P W, Han K L, Fan F T, Li C. Nature, 2022, 610(7931): 296.

[5]	Barroso M, Mesa C A, Pendlebury S R, Cowan A J, Hisatomi T, Sivula K, Grätzel M, Klug D R, Durrant J R. PNAS, 2012, 109(39): 15640.

[6]	Yang Y, Gu J, Young J L, Miller E M, Turner J A, Neale N R, Beard M C. Science, 2015, 350(6264): 1061.

[7]	Selcuk S, Selloni A. Nat. Mater., 2016, 15(10): 1107.

[8]	Yu J G, Low J, Xiao W, Zhou P, Jaroniec M. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(25): 8839.

[1]	Takata T, Jiang J Z, Sakata Y, Nakabayashi M, Shibata N, Nandal V, Seki K, Hisatomi T, Domen K. Nature, 2020, 581(7809): 411.
[2]	Wu Y A, McNulty I, Liu C, Lau K C, Liu Q, Paulikas A P, Sun C J, Cai Z H, Guest J R, Ren Y, Stamenkovic V, Curtiss L A, Liu Y Z, Rajh T. Nat. Energy, 2019, 4(11): 957.
[3]	Chen C C, Ma W H, Zhao J C. Chem. Soc. Rev., 2010, 39(11): 4206.
[4]	Chen R T, Ren Z F, Liang Y, Zhang G H, Dittrich T, Liu R Z, Liu Y, Zhao Y, Pang S, An H Y, Ni C W, Zhou P W, Han K L, Fan F T, Li C. Nature, 2022, 610(7931): 296.
[5]	Barroso M, Mesa C A, Pendlebury S R, Cowan A J, Hisatomi T, Sivula K, Gr?tzel M, Klug D R, Durrant J R. PNAS, 2012, 109(39): 15640.
[6]	Yang Y, Gu J, Young J L, Miller E M, Turner J A, Neale N R, Beard M C. Science, 2015, 350(6264): 1061.
[7]	Selcuk S, Selloni A. Nat. Mater., 2016, 15(10): 1107.
[8]	Yu J G, Low J, Xiao W, Zhou P, Jaroniec M. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(25): 8839.

PDF (1995KB)

1351

访问

被引

详细

导航

Published
2022-11-24
Online Date
2022-12-08

Abstract

Graphical abstract

中图分类号

引用本文

参考文献