納米助催化劑調節光催化劑電場的可視化
瀏覽次數： 342 發布時間：2017-10-19 08:44:01 發布人：editor
基于半導體催化劑的人工光合系統帶動了燃料生產技術的發展創新。一般來說，利用具有合適帶隙半導體可產生電子-空穴對進而驅動光催化分解水。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活性提升不能直接歸因于催化動力學的加速，因為光生電荷參與了光催化反應的基元步驟。迄今為止，對于助催化劑的不同看法表明其在光催化中的實際作用尚待深入研究。
【成果簡介】
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)等對負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行直接成像，并在Nano Lett.上發表了題為“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移，與此同時光催化劑未覆蓋表面下的內建電場發生了方向變化。附帶電場引起了局部表面光電壓信號的迅速增長(80倍)以及光催化性能的提高。空間分離雙重助催化劑的協同作用進一步增強了局部電場(2.5 kV·cm-1)。該研究結果表明助催化劑可調節光催化劑的內建電場，對光催化劑的電荷分離具有決定性的影響。
【圖文簡介】
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建電場矢量方向。
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}面前后的相應的高度和電勢剖面圖。
MnOx助催化劑調節整個粒子的內建電場進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KPFM圖像;
b) SPV信號(激發波長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對其光催化產氧活性的影響 (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)協同作用進一步增強電場強度。
a,b) MnOx和Pt助催化劑選擇性光沉積于BiVO4{011}面和{010}面的暗態和443 nm 激發的KPFM圖像;
c) 沿圖a和b所繪直線的暗態和激發態接觸電勢差之差以及相應的高度剖面圖;
d) BiVO4{011}面(P1)和{010}面(P2)的空間分辨SPV光譜(見圖a標記);
e) SPV信號的空間分布，其中粉色和綠色分別代表外表面上分離的空穴和電子;
f) 對圖c虛線矩形方框的電勢分布擬合。
調整良好的雙電場提高光催化劑粒子的矢量電荷轉移。
a) 純BiVO4的{011}和{010}面以及負載不同助催化劑的BiVO4 SPV信號匯總(激發波長443 nm);
b,c) 純BiVO4的{011}和{010}面以及負載不同助催化劑的BiVO4的能帶示意圖。
【小結】
該研究揭示了助催化劑在 BiVO4光催化過程中的重要功能：調整MnOx和BiVO4界面之間的內建電場以及未負載助催化劑BiVO4的空間電荷區域，形成強力的附帶內建電場，縮短了光生載流子遷移到活性表面位點的距離。此外，研究人員發現雖然適當的助催化劑負載可形成內建電場，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。
文獻鏈接：Visualizing the Nano Cocatalyst Aligned Electric Fields on Single Photocatalyst Particles. (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02799)