纳米异相结界面的电荷转移

从网球场边线绘制的涂料到我们日常使用的牙膏和防晒霜，二氧化钛有着非常广泛的用途。二氧化钛作为一种最常见的光催化半导体存在着多晶相。早在2008年，大连化物所的研究人员发现，不同物相的二氧化钛形成异相结时，可以大幅度提高光催化的反应活性（Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 1766-1769)。近年来，这种结构成功应用到光伏器件组装（Nano Energy, 2015, 15, 406–412）以及光电极构筑（Chem. Sci., 2016, 7, 6076-6082）等研究中。探测“结”结构界面电荷转移对材料的设计、反应机理的研究有很重要的指导意义。然而，异相结是在微纳米尺度构筑，并且其界面包埋于表面之下，人们对异相结增强光生电荷分离的机理尚不十分清楚。这个问题成为近年来该领域的研究热点和难点。目前为止，实验中缺乏对相结界面的能带结构、内建电场以及光生电荷流动方向的直接测量研究。

近日，大连化学物理研究所的李灿院士（点击查看介绍）、范峰滔研究员（点击查看介绍）团队利用自主研发的空间分辨表面光电压谱和开尔文探针成像显微镜研究了二氧化钛异相结界面光生电荷的转移，通过扫描锐钛矿/金红石相结的截面电势，发现两相之间能级差异很小，但可以在纳米尺度的界面形成高达1kV/cm的内建电场，该内建电场的方向对光生电子由金红石转移到锐钛矿起到决定性作用。空间分辨的表面光电压谱表明在紫外光激发的条件下光生电子从金红石相转移到锐钛矿相。此外，研究发现锐钛矿颗粒的尺寸对界面空间电荷层的厚度以及内建电场的形成起到了重要作用，直接影响光生电荷的分离效率。因此，这种测量方法可以为异质结、异相结等界面光生电荷分离提供一种有效、直接的检测方法。相关结果发表在Journal of Physical Chemistry Letters 上，并作为当期的Spotlights进行推荐。

该论文作者为：Yuying Gao, Jian Zhu, Hongyu An, Pengli Yan, Baokun Huang, Ruotian Chen, Fengtao Fan, and Can Li

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Directly Probing Charge Separation at Interface of TiO₂ Phase Junction

J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 1419, DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00285

导师介绍

李灿

http://www.x-mol.com/university/faculty/26747

范峰滔

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