2018年9月24日
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闫世成教授课题组实现晶面肖特基结促进光生电荷分离

人工光合成被认为是潜在的CO2资源化利用策略。由半导体-金属-半导体构成的Z型光催化材料体系可以拓宽光谱吸收范围,并保持光生电荷高效的氧化还原能力(图1)。这意味着Z型光催化体系可以克服传统的单组分光催化材料固有的缺陷,即需要平衡材料光吸收(宽光谱吸收要求材料具有较小的带隙)和导价带光生电荷的氧化还原能力(强氧化还原能力要求材料具有较大的带隙)这一不可调和的矛盾。

图1.Z型光催化体系,氧化还原反应分别发生在氧化还原能力较强的半导体上(a)。BiVO4{010}-Au-Cu2O 和BiVO4{110}-Au-Cu2O Z型光催化体系(b-e)。

在 Z 型光催化体系中,两个半导体材料之间的电荷传递效率是该体系能量转换效率的主要制约因素之一。闫世成课题组在总结前期对晶面电荷输运特性(Chem. Commun. 2010, 46, 6388;Chem. Commun. 2011, 47, 5632;Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 758;Appl.Catal.B: Environ.2018, 237, 665; Appl.Catal.B: Environ.2018, 237,742; Appl.Catal.B: Environ.2018, 234,100)和CO2 催化反应影响因素(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6400;Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1839;Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702447)等研究工作的基础上,近期利用光还原法定向沉积Au-Cu2O核壳结构到BiVO4截角八面体微晶的{010}和{110}晶面,构建了晶面依赖的半导体-金属-半导体Z型光催化材料(图1)。界面势能模拟和单颗粒荧光分析确认了BiVO4{010}-Au 因具有较大的功函差而形成了肖特基结,有效提升光生电荷分离与传输(图 2)。光激发情况下,BiVO4 中的光生电子在 BiVO4{010}-Au界面处热弛豫越过肖特基结被 Au 捕获并与 Cu2O 中的光生空穴复合,提高了氧化位点 BiVO4与还原位点 Cu2O 中的电荷分离效率。与此同时,Au作为电子转移媒介为BiVO4与Cu2O之间提供了良好的界面接触,促进了BiVO4与Cu2O之间的光生电荷快速迁移。该项研究工作对高效Z型光催化反应体系设计提供了新的理解和借鉴。

图 2. BiVO4{110}和{010}晶面与Au的功函差异(a,b),单分子荧光分析(c,d),肖特基结电荷传输机制(e)和催化反应机制(f)。

图 3.晶面依赖的BiVO4-Au-Cu2O Z体系光催化材料催化CO2还原到CH4的性能和性能差异起源。

该工作以《Facet-Dependent Schottky-Junction Electron Shuttle in BiVO4{010}-Au-Cu2O Z-Scheme Photocatalyst for Efficient Charge Separation》为题发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201801214)上。南京大学现代工程与应用科学学院2015级硕士生周晨光为论文第一作者,闫世成教授为论文通讯作者,该研究得到了邹志刚院士的精心指导,获得了科技部973计划、国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)