近日, 中國科學院大連化學物理研究所研究員範峰滔和中國科學院院士李燦團隊利用自主研發的表面光電壓成像儀器, 闡明相比於傳統的內建電場導致的電荷分離, 電子和空穴的遷移性差別可產生擴散控制的電荷分離過程, 且後者對不同晶面的電荷分離貢獻更大. 相關工作發表在《自然-能源》 (Nature Energy) 上.
光催化過程的理解是高效利用太陽能的前提. 其中, 對半導體光催化中光激發電子和空穴的有效分離和遷移的理解是提高光催化效率的關鍵. 李燦團隊前期利用基於原子力顯微鏡的光電壓測量技術, 在單顆粒納米晶粒子的光生電荷分離方面取得了一系列成果: 2013年, 在規則暴露晶面的BiVO4半導體催化劑上, 利用化學氧化還原探針, 確認了BiVO4不同晶面之間的光生電荷分離效應 (Nature Comm.) ; 2015年, 利用自主研發的納米分辨表面光電壓譜, 揭示出半導體不同晶面空間電荷層存在各向異性的內建電場, 可以表現出數十倍差別的空穴遷移各向異性, 回答了晶面電荷分離驅動力的來源問題 (Angew.Chem.Int.Ed.) .
在該工作中, 研究團隊進一步利用空間分辨的表面光電壓譜, 表徵了不對稱光照條件下單個Cu2O粒子的光生電荷分布, 發現了對稱Cu2O粒子可以產生明顯的電荷有效分離——空穴傳輸到輻照區, 電子傳輸到陰影區. 該工作區分了兩種電荷分離機制, 分別是Drifted-漂移電荷分離機制: 由Cu2O的晶面內建電場產生, 在光照和陰影面呈現對稱分布, 僅有利於光生少子遷移至表面, 其表面光電壓為10mV; 以及Diffused-擴散電荷分離機制: 電子和空穴的載流子遷移率差別產生的電荷分離過程, Cu2O向光面和背陰面光電壓差40mV. 定量數據表明, 除傳統的內建電場導致的電荷分離過程, 電子和空穴高達兩個數量級的遷移率差別, 可以產生擴散控制的電荷分離過程, 且後者對不同晶面的電荷分離貢獻更大. 基於以上認識, 將氧化還原催化劑分別沉積於單晶粒子的相應晶面, 光催化性能可以提高300%. 該研究不僅揭示光催化材料中一種新的且有效的電荷分離驅動力, 並且為不對稱的助催化組裝, 以及空間可控的氧化還原反應提供了新的策略.
該工作得到了科技部 '973' 項目, 國家自然科學基金, 中科院先導項目, 科研儀器設備研製項目和教育部能源材料化學協同創新中心(iChEM)的資助.
