納米助催化劑調節光催化劑電場的可視化

 

　　【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?？臻g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)