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双助催化剂在具有等同晶面立方体NaTaO3上的光催化分解水研究

光催化分解水制氢被认为是潜在的高效转化、贮存和利用太阳能的一种有效方式之一,因此近几年来世界各国都竞相展开相关研究。光催化分解水是一个能量爬坡的多电子转移过程,要实现这样的反应,光生电荷的有效分离就成为亟需解决的关键科学问题。中科院大连化物所的李灿院士研究团队在前期工作中发现光生电子和空穴在具有不等同晶面的半导体晶体上能够空间上进行有效分离,即光照下光生电子和空穴能够分别富集在半导体的不等同晶面上。除了含有不等共晶面的半导体,等同晶面的半导体也是自然界中常见的一类半导体。但是对于具有等同晶面性质的半导体材料,以及如何在等同晶面半导体上实现光生电子和空穴的有效分离,目前还没有比较好的认识,相关工作还未见报道。[1,2,3]


因此,在前期工作的基础上,中科院大连化物所李灿院士、韩洪宪研究员华南理工大学廖世军教授进一步研究了具有相同晶面性质的半导体晶体上光生电子和空穴的分离及其参与分解水的过程。他们选择了立方体NaTaO3作为等同晶面的半导体模型,NiO作为助催化剂,光催化分解水作为电荷分离效率的探针反应。晶体结构、光沉积位点、直至分解水反应,均验证了合成的NaTaO3晶体是六个晶面等同的李芳晶向结构。光沉积担载贵重金属和金属氧化物的表面电子和空穴位探针实验结果表明,含有等同晶面的NaTaO3没有类似用于BiVO4的晶面电荷分离现象。进一步研究发现,含有等同晶面的NaTaO3在担载NiO后能实现高效分解水,表明NiO担载对等同晶面上实现电荷分离起到关键的作用。反应前后的XPS和同步辐射XAS等谱图研究表名,在光催化水分解反应中,NiO担载的NaTaO3在同一晶面上同时存在还原位点和氧化位点,还原位点的NiO在光的作用下被电子还原的Ni,最终作为还原助催化剂,发生质子还原反应;而氧化位点的NiO作为氧化助催化剂,发生氧化水反应。在等同晶面条件下,光生电子和空穴是在Ni和NiO双助催化剂上得到分离,最终实现光催化分解水反应。


这一研究结果从反面证明在等同晶面的半导体上不可能实现晶面电荷分离,即晶面电荷分离的先决条件是不等同晶面的存在;在等同晶面的半导体上,也可以实现光生电荷的有效分离,其关键是助催化剂的选择及其担载方式。鉴于在自然界中,等同晶面的半导体和不等同晶面的半导体一样普及,因此,这一工作对进一步发展高效半导体基光催化体系具有一定的指导意义。

ACS Catal., 2016, 6, 2182-2191.


这一研究成果发表于《ACS Catalysis》上。


http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.5b02503


原文标题:Effect of Redox Cocatalysts Location on Photocatalytic Overall Water Splitting over Cubic NaTaO3 Semiconductor Crystals Exposed with Equivalent Facets


参考文献

1.Böer, K. W., Survey of Semiconductor Physics: Volume II Barriers, Junctions, Surfaces, and Devices; Springer Science & Business Media, 2012, 2 , 739-764.

2.Li, R.; Zhang, F.; Wang, D.; Yang, J.; Li, M.; Zhu, J.; Zhou, X.; Han, H.; Li, C. Nat. commun. 2013, 4, 1432.

3.Li, R.; Han, H.; Zhang, F.; Wang, D.; Li, C. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1369-1376.


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