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