綜述了時(shí)空分辨光譜技術(shù)在人工光合成機(jī)理研究中的主要結(jié)果和最新進(jìn)展,揭示了人工光合成中光生電子和空穴的分離、復(fù)合和反應(yīng)等過(guò)程,利用成像光譜直接觀測(cè)光生電荷的空間分布及其作用規(guī)律。時(shí)空分辨光譜的表征結(jié)果很好地解釋了催化劑晶相、助催化劑的擔(dān)載、相結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑、晶面調(diào)控等策略在光電催化過(guò)程中的作用機(jī)制。 

【文章來(lái)源】：科技導(dǎo)報(bào). 2020,38(23)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

半導(dǎo)體材料光催化反應(yīng)過(guò)程

從空間上來(lái)看，光生電子-空穴的分離涉及半導(dǎo)體體內(nèi)分離和表/界面轉(zhuǎn)移分離等過(guò)程。迄今為止，通過(guò)單/雙功能助催化劑負(fù)載、異質(zhì)結(jié)和異相結(jié)構(gòu)建等方法均能加速半導(dǎo)體表/界面的載流子分離，達(dá)到提高太陽(yáng)能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的目的，構(gòu)建有效的光生電荷傳輸界面和表面結(jié)構(gòu)已成為發(fā)展高效人工光合成催化材料的重要方式，是這一領(lǐng)域科學(xué)家努力的重要方向。李燦研究組在國(guó)際上首次報(bào)道Ti O2異相結(jié)（圖2(a))[1]及α,β-Ga2O3異相結(jié)[2]的構(gòu)筑，可大幅度提升光催化性能，并初步揭示了其提高光催化活性的本質(zhì)。以上電荷分離針對(duì)的是兩種物質(zhì)界面的電荷分離，有意思的是，本研究組基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)推測(cè)了光生電荷在Bi VO4不同晶面間的分離，并通過(guò)光沉積的方法將氧化、還原助催化劑選擇性地沉積在Bi VO4晶體的氧化晶面{110}和還原晶面{010}上，將光催化性能提高2個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2(b）），充分展示了晶面控制在構(gòu)筑高效光催化劑體系中的巨大潛力[3]。隨后一系列研究證明，光催化材料的表界面性質(zhì)在太陽(yáng)能光化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，已成為這一領(lǐng)域科學(xué)家的共識(shí)。盡管人們?cè)跇?gòu)筑光催化劑方面取得了一定進(jìn)展，但對(duì)人工光合成過(guò)程的機(jī)理理解并不十分深刻。理解光生電荷在半導(dǎo)體體內(nèi)分離、傳輸以及表/界面轉(zhuǎn)移分離甚至參與光催化反應(yīng)等過(guò)程，不僅要從時(shí)間特性認(rèn)識(shí)人工光合成各過(guò)程的動(dòng)力學(xué)行為及其作用，而且必須同時(shí)考慮光生電荷分離和遷移的空間特性。

光電催化過(guò)程涉及到電荷的轉(zhuǎn)移以及后續(xù)反應(yīng)的耦合，單一手段很難對(duì)其進(jìn)行深入研究。例如，空間分離的光生電荷如果不能實(shí)現(xiàn)和催化位點(diǎn)的重合以及協(xié)同作用，會(huì)導(dǎo)致光生電荷的再次復(fù)合，進(jìn)而降低光到化學(xué)能轉(zhuǎn)化的效率。因此，從空間上研究催化反應(yīng)位點(diǎn)具有和電荷分離研究同樣重要的意義。然而，到目前為止，同時(shí)具有化學(xué)信息以及空間分辨信息的研究手段很少。掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）是一種電分析的掃描探針技術(shù)，能夠獲得基底形貌以及局域電化學(xué)活性的信息。它是原位液相反應(yīng)條件下，進(jìn)行微區(qū)電化學(xué)活性成像以及研究反應(yīng)活性物種動(dòng)力學(xué)行為的有力工具。1989年，SECM幾乎同時(shí)由Bard等[37]和Engstrom等[38]研發(fā)以來(lái)，在之后的20多年來(lái)發(fā)展迅速，尤其在能源、動(dòng)力學(xué)、表面催化反應(yīng)等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。Bard研究組[39]定量研究了Ti O2光催化過(guò)程中中間產(chǎn)物活性羥基吸附物種的量。通過(guò)時(shí)間對(duì)反饋電流積分，得到了反應(yīng)的電荷密度，定量了Ti O2光催化過(guò)程中反應(yīng)中間物種（吸附態(tài)羥基）。SECM在活性成像方面更能夠直觀地分辨出反應(yīng)位點(diǎn)分布。Schuhmann研究組[40]利用耦合光纖的微電極技術(shù)（圖8(a）），成功應(yīng)用于摻雜Bi VO4光電催化過(guò)程中原位檢測(cè)產(chǎn)物O2。此類(lèi)電極能夠在掃描區(qū)域內(nèi)局域的引入光場(chǎng)，而在針尖上檢測(cè)光催化產(chǎn)物氧的還原電流。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)探針掃描至樣品區(qū)域時(shí)有明顯的反饋電流（圖8(b））。4 結(jié)論


本文編號(hào)：3225387