光电催化材料表界面光生电荷成像研究

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室李灿院士、范峰滔研究员等与德国亥姆霍兹柏林能源与材料中心（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH）硅光伏研究所 Thomas Dittrich 博士合作，在英国皇家化学会综述类旗舰刊物 Chemical Society Reviews 上发表综述文章，对于表面光电压（SPV）技术，特别是其课题组自主研发的高分辨 SPV 技术的基本原理及其在单个光催化颗粒表面和界面上的光生电荷载流子成像方面的应用进行了详细的介绍，并对其在揭示光催化粒子中电荷分离驱动力方面进行深入的总结和思考，对设计优化高效光催化体系提供支持。中国科学院大连化学物理研究所李灿院士课题组博士研究生陈若天为本文第一作者，李灿院士、范峰滔研究员与Thomas Dittrich 博士为共同通讯作者。

利用光催化分解水制氢或将二氧化碳还原为液态燃料，将太阳能转化为化学燃料是一种人类利用太阳能最理想的途径。然而，迄今为止，提高太阳能转换效率方面仍然面临着诸多挑战。其中光生电荷的分离是制约太阳能转换效率的关键因素。从微纳米尺度对光催化剂中电荷分离的深入理解是提高电荷分离效率和太阳能转换效率的关键，也为从根本上设计新型高效的光催化剂提供指导。

图1. 空间分辨的表面光电压光谱和成像技术

李灿院士、范峰滔研究员团队自主研发了具有纳米分辨的可以定量表征单一光催化剂粒子光生电荷分离的空间分辨的表面光电压光谱（SRSPS）和成像（SPVM）技术（图 1）。并对该团队多年来开发的高效的光催化电荷分离体系如晶面调控（Nat. Commun., 2013, 4, 1432），助催化剂组装（Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1369），异相结（Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 1766）等进行电荷分离机制的深入研究，发现光催化体系表界面的内建电场是主导光生电荷分离的主要驱动力。然而，对于通常的光催化粒子，其表面对称的内建电场导致只有光生少子能够被分离到表面，粒子净的电荷分离驱动力为0 （图2a）。 空间分辨的表面光电压谱揭示光催化剂粒子不同晶面的内建电场具有显著差异（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9111）， 因此可以通过晶面调节，打破光催化剂表面内建电场的对称性产生净的驱动力（图2b）。进一步，该团队发现通过不对称的助催化剂担载可以使对称性进一步打破，在整个光催化剂体内产生媲美p-n结的定向的内建电场，使电荷分离进一步极大极高（Nano Lett., 2017, 17, 6735; 图2c）。同时，该团队利用空间分辨的表面光电压直接证明了异相结的构筑也可以有效的打破对称性促进光生电荷分离（J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 1419）。这些工作不仅从本质上认识和理解了光催化光生电荷分离的驱动力，还与该团队近期发表Nature Energy（2018, 3, 655）上关于不对称光照引发的光生电荷现象一起，揭示了对称性破缺策略对增强微纳尺度光电催化体系光生电荷分离的重要性。

图2. 空间分辨表面光电压技术揭示的光催化剂粒子电荷分离驱动力

该论文作者为：Ruotian Chen, Fengtao Fan, Thomas Dittrich, Can Li

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Imaging photogenerated charge carriers on surfaces and interfaces of photocatalysts with surface photovoltage microscopy

Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 8238-8262, DOI: 10.1039/C8CS00320C

导师介绍

李灿

http://www.x-mol.com/university/faculty/22686

范峰滔

http://www.x-mol.com/university/faculty/44786