近日, 中國科學院院士, 中科院大連化學物理研究所研究員李燦等利用自主研發的空間分辨表面光電壓譜和開爾文探針成像系統, 研究助催化劑在太陽能燃料轉化過程中的作用, 發現納米尺度助催化劑可有效調控光催化材料內建電場的方向和大小, 在界面處形成高達2.5kV/cm的內建電場, 局部的光電壓值可達到80倍的增強. 該研究揭示了助催化劑增強光催化甚至熱催化性能的新機制, 論文發表在《納米快報》上 (Nano Letters) .
助催化劑是利用光催化和光電催化轉化太陽能到化學能過程中重要組成部分, 絕大多數的光催化體系都需要引入助催化劑 (cocatalyst) 來提升光催化的活性, 人們對助催化劑在上述轉化過程中所起到的作用並不清楚. 原因之一在於, 光催化過程中光生電荷做為重要的反應中間物參與了絕大多數的催化反應基元步驟, 因此光催化性能的提升並不能簡單歸屬於助催化所促進的表面反應動力學. 研究團隊利用自主研發的空間分辨表面光電壓譜和開爾文探針成像系統, 發現在以BiVO4為代表的模型體繫上區域沉積助催化劑後, 助催化劑和光催化材料界面的空穴轉移得到了增強. 使未擔載助催化劑的區域的內建電場方向發生了反轉, 且強度提高. 實驗數據和數值類比的結果進一步表明, 助催化劑的引入有效的增加了空間電荷層的尺寸, 使其由原來兩個獨立相反的內建電場變為相互連接且方向一致的內建電場, 增強了電荷分離的能力. 此外, 研究發現雙助催化劑的使用具有協同增加內建電場的作用. 表面光電壓成像研究表明, 助催化劑的引入在界面處形成高達2.5kV/cm的電場, 使電子和空穴在空間上有效分離. 該結果與此前研究 (Angew. Chem. Int. Ed., JPCL,) 體現了光生電荷成像研究工作的系統性, 揭示了提升表界面內建電場在構築高效太陽能燃料轉化過程中的決定性作用.
研究工作得到了科技部973項目, 國家自然科學基金, 中科院戰略性先導科技專項和教育部能源材料化學協同創新中心(iChEM)的資助.
