人工光合成机理的时空分辨光谱研究进展
发布时间：2021-06-11 22:35
综述了时空分辨光谱技术在人工光合成机理研究中的主要结果和最新进展,揭示了人工光合成中光生电子和空穴的分离、复合和反应等过程,利用成像光谱直接观测光生电荷的空间分布及其作用规律。时空分辨光谱的表征结果很好地解释了催化剂晶相、助催化剂的担载、相结结构的构筑、晶面调控等策略在光电催化过程中的作用机制。
【文章来源】：科技导报. 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
半导体材料光催化反应过程
从空间上来看，光生电子-空穴的分离涉及半导体体内分离和表/界面转移分离等过程。迄今为止，通过单/双功能助催化剂负载、异质结和异相结构建等方法均能加速半导体表/界面的载流子分离，达到提高太阳能光-化学转化效率的目的，构建有效的光生电荷传输界面和表面结构已成为发展高效人工光合成催化材料的重要方式，是这一领域科学家努力的重要方向。李灿研究组在国际上首次报道Ti O2异相结（图2(a))[1]及α,β-Ga2O3异相结[2]的构筑，可大幅度提升光催化性能，并初步揭示了其提高光催化活性的本质。以上电荷分离针对的是两种物质界面的电荷分离，有意思的是，本研究组基于实验证据推测了光生电荷在Bi VO4不同晶面间的分离，并通过光沉积的方法将氧化、还原助催化剂选择性地沉积在Bi VO4晶体的氧化晶面{110}和还原晶面{010}上，将光催化性能提高2个数量级（图2(b）），充分展示了晶面控制在构筑高效光催化剂体系中的巨大潜力[3]。随后一系列研究证明，光催化材料的表界面性质在太阳能光化学转化过程中起到至关重要的作用，已成为这一领域科学家的共识。尽管人们在构筑光催化剂方面取得了一定进展，但对人工光合成过程的机理理解并不十分深刻。理解光生电荷在半导体体内分离、传输以及表/界面转移分离甚至参与光催化反应等过程，不仅要从时间特性认识人工光合成各过程的动力学行为及其作用，而且必须同时考虑光生电荷分离和迁移的空间特性。
光电催化过程涉及到电荷的转移以及后续反应的耦合，单一手段很难对其进行深入研究。例如，空间分离的光生电荷如果不能实现和催化位点的重合以及协同作用，会导致光生电荷的再次复合，进而降低光到化学能转化的效率。因此，从空间上研究催化反应位点具有和电荷分离研究同样重要的意义。然而，到目前为止，同时具有化学信息以及空间分辨信息的研究手段很少。扫描电化学显微镜（SECM）是一种电分析的扫描探针技术，能够获得基底形貌以及局域电化学活性的信息。它是原位液相反应条件下，进行微区电化学活性成像以及研究反应活性物种动力学行为的有力工具。1989年，SECM几乎同时由Bard等[37]和Engstrom等[38]研发以来，在之后的20多年来发展迅速，尤其在能源、动力学、表面催化反应等领域应用越来越广泛。Bard研究组[39]定量研究了Ti O2光催化过程中中间产物活性羟基吸附物种的量。通过时间对反馈电流积分，得到了反应的电荷密度，定量了Ti O2光催化过程中反应中间物种（吸附态羟基）。SECM在活性成像方面更能够直观地分辨出反应位点分布。Schuhmann研究组[40]利用耦合光纤的微电极技术（图8(a）），成功应用于掺杂Bi VO4光电催化过程中原位检测产物O2。此类电极能够在扫描区域内局域的引入光场，而在针尖上检测光催化产物氧的还原电流。研究发现当探针扫描至样品区域时有明显的反馈电流（图8(b））。4 结论
本文编号：3225387
【文章来源】：科技导报. 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
半导体材料光催化反应过程
从空间上来看，光生电子-空穴的分离涉及半导体体内分离和表/界面转移分离等过程。迄今为止，通过单/双功能助催化剂负载、异质结和异相结构建等方法均能加速半导体表/界面的载流子分离，达到提高太阳能光-化学转化效率的目的，构建有效的光生电荷传输界面和表面结构已成为发展高效人工光合成催化材料的重要方式，是这一领域科学家努力的重要方向。李灿研究组在国际上首次报道Ti O2异相结（图2(a))[1]及α,β-Ga2O3异相结[2]的构筑，可大幅度提升光催化性能，并初步揭示了其提高光催化活性的本质。以上电荷分离针对的是两种物质界面的电荷分离，有意思的是，本研究组基于实验证据推测了光生电荷在Bi VO4不同晶面间的分离，并通过光沉积的方法将氧化、还原助催化剂选择性地沉积在Bi VO4晶体的氧化晶面{110}和还原晶面{010}上，将光催化性能提高2个数量级（图2(b）），充分展示了晶面控制在构筑高效光催化剂体系中的巨大潜力[3]。随后一系列研究证明，光催化材料的表界面性质在太阳能光化学转化过程中起到至关重要的作用，已成为这一领域科学家的共识。尽管人们在构筑光催化剂方面取得了一定进展，但对人工光合成过程的机理理解并不十分深刻。理解光生电荷在半导体体内分离、传输以及表/界面转移分离甚至参与光催化反应等过程，不仅要从时间特性认识人工光合成各过程的动力学行为及其作用，而且必须同时考虑光生电荷分离和迁移的空间特性。
光电催化过程涉及到电荷的转移以及后续反应的耦合，单一手段很难对其进行深入研究。例如，空间分离的光生电荷如果不能实现和催化位点的重合以及协同作用，会导致光生电荷的再次复合，进而降低光到化学能转化的效率。因此，从空间上研究催化反应位点具有和电荷分离研究同样重要的意义。然而，到目前为止，同时具有化学信息以及空间分辨信息的研究手段很少。扫描电化学显微镜（SECM）是一种电分析的扫描探针技术，能够获得基底形貌以及局域电化学活性的信息。它是原位液相反应条件下，进行微区电化学活性成像以及研究反应活性物种动力学行为的有力工具。1989年，SECM几乎同时由Bard等[37]和Engstrom等[38]研发以来，在之后的20多年来发展迅速，尤其在能源、动力学、表面催化反应等领域应用越来越广泛。Bard研究组[39]定量研究了Ti O2光催化过程中中间产物活性羟基吸附物种的量。通过时间对反馈电流积分，得到了反应的电荷密度，定量了Ti O2光催化过程中反应中间物种（吸附态羟基）。SECM在活性成像方面更能够直观地分辨出反应位点分布。Schuhmann研究组[40]利用耦合光纤的微电极技术（图8(a）），成功应用于掺杂Bi VO4光电催化过程中原位检测产物O2。此类电极能够在扫描区域内局域的引入光场，而在针尖上检测光催化产物氧的还原电流。研究发现当探针扫描至样品区域时有明显的反馈电流（图8(b））。4 结论
本文编号：3225387
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