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陳士夫教授課題組在光催化基礎理論研究方面取得進展——相對p-n結概念的提出

光催化技術由于在環境污染治理、太陽能光解水產氫、二氧化碳光還原大世界彩票|手机app下载、固氮、有機物光轉換和合成及太陽能染料敏化電池等領域具有重大的、潛在的應用前景,目前已成為物理大世界彩票|手机app下载、化學、環境、材料科學等領域最為活躍的研究方向之一大世界彩票|手机app下载。實現光生電荷載流子的有效分離提高光催化過程的量子效率一直是光催化領域研究的重點大世界彩票|手机app下载。復合光催化劑是光催化領域的研究熱點,因為其不僅可以拓寬光響應范圍,而且可以提高光生載流子分離-遷移效率,進而提高量子效率大世界彩票|手机app下载。復合光催化劑中光生電荷載流子的遷移機制有兩種:一是帶帶轉移(band-band transfer),另一種是最近發展的Z-scheme transfer大世界彩票|手机app下载。然而遷移的內生動力究竟是什么至今沒有明確的答案。目前基于半導體的能帶理論或物理學的庫侖定律均不能準確和全面的解釋光催化的實驗結果大世界彩票|手机app下载。

光催化的研究雖然經過近40年的發展,人們在光催化的反應機理、光催化劑的構建、反應體系的開發等方面取得一定的進展,然而在光催化的基礎理論研究方面始終沒有大的突破?;诖?,我們首先構建了一系列不同物質含量的具有相近價帶-導帶位的TiO2/ZnO復合光催化劑(圖1),我們發現當以TiO2為主體時,ZnO/TiO2的活性隨著ZnO量的增加而降低;而當以ZnO為主體時,TiO2/ZnO的活性隨著TiO2量的增加而提高大世界彩票|手机app下载,當TiO2的量增加到5%時大世界彩票|手机app下载,5% TiO2/ZnO顯示了最高的光催化活性。另一方面大世界彩票|手机app下载,我們又選擇了兩種價帶-導帶位遠離的半導體構建了WO3/TiO2復合光催化劑(圖2),我們發現不論以誰為主體大世界彩票|手机app下载,WO3/TiO2的光催化活性都明顯高于單體WO3或TiO2大世界彩票|手机app下载。通過一系列的表征分析——羥基和超氧自由基的物理和化學方法檢測、反應活性物種犧牲劑實驗、光生載流子分離-遷移的光電化學測試、熒光和載流子壽命檢測、以及導電性變化和載流子濃度分析等,我們提出了相對p-n結(relative p-n junction)的概念,通過理論和實驗驗證了相對p-n結內建電場對光生載流子遷移方向的影響,繼而影響了異質結光催化材料的性能。當催化劑主體發生變化時,催化劑導電性的變化可以實現異質結光催化劑光生載流子的band-band和Z-Scheme轉移兩種途徑的轉換大世界彩票|手机app下载。當內電場方向與光生載流子遷移方向一致時大世界彩票|手机app下载,發生band-band轉移;而當內電場方向與光生載流子遷移方向相反時,則發生Z-scheme轉移大世界彩票|手机app下载。相對p-n結的概念不僅可以用來解釋兩種復合材料光催化劑光生載流子分離-遷移機制的內生動力,而且我們認為其也可以運用于離子摻雜、金屬負載、晶面結等光催化材料。相關研究結果發表在物理化學頂級權威期刊——J. Phys. Chem. C上(J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 15409-15420. 和J. Phys. Chem. C, 2018, DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b07524.),第一作者分別為孫文婷(研究生)和孟蘇剛,并且其中一篇被選做封面發表(圖3)大世界彩票|手机app下载。此方面的研究不僅首次提出了相對p-n結的概念、異質結光催化劑載流子轉移機制的內生動力,而且對催化理論的發展和高效光催化劑的設計都有著重大的理論和實際意義。

圖1. TiO2/ZnO復合光催化劑光催化機理示意圖。

圖2. WO3/TiO2復合光催化劑光催化機理示意圖。

圖3. Cover Art of the J. Phys. Chem. C, 2018, DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b07524.

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