納米助催化劑調(diào)節(jié)光催化劑電場(chǎng)的可視化
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-10-19 08:44:01 發(fā)布人：editor
基于半導(dǎo)體催化劑的人工光合系統(tǒng)帶動(dòng)了燃料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。一般來(lái)說(shuō)，利用具有合適帶隙半導(dǎo)體可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)光催化分解水。在高效人工光合作用中，助催化劑或雙重助催化劑不可或缺。然而，助催化劑所致的反應(yīng)活性提升不能直接歸因于催化動(dòng)力學(xué)的加速，因?yàn)楣馍姾蓞⑴c了光催化反應(yīng)的基元步驟。迄今為止，對(duì)于助催化劑的不同看法表明其在光催化中的實(shí)際作用尚待深入研究。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中科院大連化物所李燦院士和范峰滔研究員(共同通訊作者)等對(duì)負(fù)載了單一助催化劑或雙效助催化劑的單晶BiVO4光催化劑的局部光生載流子分離進(jìn)行直接成像，并在Nano Lett.上發(fā)表了題為“Visualizing the Nano Cocatalyst Aligned Electric Fields on Single Photocatalyst Particles”的研究論文。單一助催化劑的沉積不僅加快了界面電荷轉(zhuǎn)移，與此同時(shí)光催化劑未覆蓋表面下的內(nèi)建電場(chǎng)發(fā)生了方向變化。附帶電場(chǎng)引起了局部表面光電壓信號(hào)的迅速增長(zhǎng)(80倍)以及光催化性能的提高。空間分離雙重助催化劑的協(xié)同作用進(jìn)一步增強(qiáng)了局部電場(chǎng)(2.5 kV·cm-1)。該研究結(jié)果表明助催化劑可調(diào)節(jié)光催化劑的內(nèi)建電場(chǎng)，對(duì)光催化劑的電荷分離具有決定性的影響。
【圖文簡(jiǎn)介】
晶面選擇性光沉積MnOx助催化劑有效改變了BiVO4光催化劑不同晶面的內(nèi)建電場(chǎng)矢量方向。
a) MnOx助催化劑選擇性沉積于BiVO4{011}面光催化劑的高度圖像;
b) MnOx助催化劑光沉積于BiVO4{011}面(P1)和{010}面(P2)前(虛線)后(實(shí)線)的空間分辨SPV光譜;
c,d) MnOx助催化劑選擇性光沉積于BiVO4{011}面前后的暗態(tài)KPFM圖像;
e,f) MnOx助催化劑選擇性光沉積于BiVO4{011}面前后的相應(yīng)的高度和電勢(shì)剖面圖。
MnOx助催化劑調(diào)節(jié)整個(gè)粒子的內(nèi)建電場(chǎng)進(jìn)而直接影響催化性能。
a) 不同尺寸的MnOx助催化劑選擇性光沉積于BiVO4{011}面的暗態(tài)KPFM圖像;
b) SPV信號(hào)(激發(fā)波長(zhǎng)443 nm)隨MnOx尺寸的變化;
c) 不同尺寸的MnOx助催化劑選擇性光沉積于BiVO4對(duì)其光催化產(chǎn)氧活性的影響 (以NaIO3為犧牲試劑);
d) 能帶示意圖顯示出{010}和{011}面分別向下和向上的能帶彎曲。
空間分離雙重助催化劑(MnOx/Pt)協(xié)同作用進(jìn)一步增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度。
a,b) MnOx和Pt助催化劑選擇性光沉積于BiVO4{011}面和{010}面的暗態(tài)和443 nm 激發(fā)的KPFM圖像;
c) 沿圖a和b所繪直線的暗態(tài)和激發(fā)態(tài)接觸電勢(shì)差之差以及相應(yīng)的高度剖面圖;
d) BiVO4{011}面(P1)和{010}面(P2)的空間分辨SPV光譜(見(jiàn)圖a標(biāo)記);
e) SPV信號(hào)的空間分布，其中粉色和綠色分別代表外表面上分離的空穴和電子;
f) 對(duì)圖c虛線矩形方框的電勢(shì)分布擬合。
調(diào)整良好的雙電場(chǎng)提高光催化劑粒子的矢量電荷轉(zhuǎn)移。
a) 純BiVO4的{011}和{010}面以及負(fù)載不同助催化劑的BiVO4 SPV信號(hào)匯總(激發(fā)波長(zhǎng)443 nm);
b,c) 純BiVO4的{011}和{010}面以及負(fù)載不同助催化劑的BiVO4的能帶示意圖。
【小結(jié)】
該研究揭示了助催化劑在 BiVO4光催化過(guò)程中的重要功能：調(diào)整MnOx和BiVO4界面之間的內(nèi)建電場(chǎng)以及未負(fù)載助催化劑BiVO4的空間電荷區(qū)域，形成強(qiáng)力的附帶內(nèi)建電場(chǎng)，縮短了光生載流子遷移到活性表面位點(diǎn)的距離。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)雖然適當(dāng)?shù)闹呋瘎┴?fù)載可形成內(nèi)建電場(chǎng)，有助于提高光催化劑的電荷分離能力，但也受到耗散層距離或光催化劑的晶粒大小影響。
文獻(xiàn)鏈接：Visualizing the Nano Cocatalyst Aligned Electric Fields on Single Photocatalyst Particles. (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02799)