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石墨烯量子点至TiO2光诱导电子注入机理研究

界面电子转移是太阳能转换为电能的关键步骤。通常认为电荷给体-受体间的强共价键作用使绝热电子转移起到支配作用J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 19240–19249),避免能量损失。而弱范德华力促使非绝热电子转移成为主导作用J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 14238-14248; J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 4343-4354)。非绝热电子转移的导带边缘转移效率十分低,晶格振动接受了电子损失的部分能量。为了提高光电转换效率,提高绝热电子的绝热转移成分十分必要。


最近,北京师范大学龙闰教授(点击查看介绍)与Prezhdo教授(点击查看介绍)研究了分子/石墨烯量子点和TiO2组成的界面体系,它们之间通过C-O共价键平行或者垂直地连接。计算表明垂直体系中非绝热机制主导电子转移,而平行体系中绝热电子转移机制占主导作用。为了解释这一与直观认识相违背的结果,他们计算了石墨烯量子点和TiO2间的结合能,当没有包含范德华相互作用时,垂直体系的结合能比平行体系大很多;包含范德华力后,结合能在垂直体系中增加很小,在平行体系中增加显著。原因是平行的石墨烯量子点π电子与TiO2经由空间传递相互作用,增强给体-受体相互作用和非绝热耦合,绝热电子转移起支配作用。在垂直体系中,给体-受体经由共价键作用,但吸电子基团COO-使电子远离界面区,削弱非绝热耦合,致使非绝热电子转移机制占主要作用。


这一发现表明,人们可以通过化学方法修饰调节给体-受体相互作用强度,提高绝热电子转移的贡献,优化光电太阳能电池的性能。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc. 上。


该论文作者为:Run Long, David Casanova, Wei-Hai Fang and Oleg V. Prezhdo

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):

Donor–Acceptor Interaction Determines the Mechanism of Photoinduced Electron Injection from Graphene Quantum Dots into TiO2: π-Stacking Supersedes Covalent Bonding

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 2619, DOI: 10.1021/jacs.6b09598


导师介绍

龙闰

http://www.x-mol.com/university/faculty/43006

Prezhdo

http://www.x-mol.com/university/faculty/1895


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