單個光催化劑粒子不同晶面的光生電荷的光電成像實現

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室及潔凈能源國家實驗室太陽能研究部李燦、所百人計劃學者范峰滔和博士生朱劍等在國際上利用自主研制的納米表面光電壓成像系統，首次實現了單個光催化劑粒子不同晶面的光生電荷的光電成像，發現半導體粒子不同晶面間存在不同的空間電荷層內建電場可以促進光生電荷的高度各向異性分離。相關結果在線發表在《德國應用化學》期刊上。

　　光催化分解水被普遍認為是未來解決能源危機和環境污染的理想途徑之一，而光生電子-空穴有效分離是實現太陽能光-化學高效轉化的關鍵。構建有效的光生電荷分離及傳輸的光電體系已成為發展高效人工光合成催化體系的重要措施，是這一領域科學家努力的重要方向。近年來，李燦研究團隊為解決這一核心科學問題進行了不懈努力：通過構筑CdS/MoS2異質結取得比傳統貴金屬Pt負載的Pt/CdS光催化劑更好的光催化制氫活性(J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 7176-7177)；利用紫外拉曼光譜對表面物相靈敏的特點，在國際上首次報道構筑TiO2不同相之間的表面“異相結”可大幅度提升光催化產氫的活性；以此為基礎，發現以α,β-Ga2O3為基礎的半導體光催化劑構筑的“異相結”可以促進光催化分解純水制氫性能，并利用超快光譜初步揭示了其提高光催化活性的本質(Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 13089-13092)；隨后，研究組發現具有規則晶面暴露的BiVO4半導體光催化材料在不同晶面間存在光生電荷分離效應(Nature Comm., 2013,4,1432)。

　　為了更深入地揭示上述體系的關鍵科學問題——光生電荷分離和遷移的空間特性，該團隊自行發展了針對微納尺度、單個半導體催化劑晶粒表面光生電荷空間分布研究的納米光電成像系統——空間分辨的表面光電壓譜。研究人員利用該儀器觀察到BiVO4粒子上不同晶面的表面電勢差異。在光激發下，空間分辨表面光電壓譜揭示出半導體粒子不同晶面存在不同的空間電荷層內建電場。這種電場的存在可以使單晶粒半導體光催化劑顯示超過70倍差別的空穴遷移各向異性，并進一步利用熒光成像佐證了該結果。這種內在物理特性可能是光生電荷在不同晶面間分離的主要原因。該項工作從微納尺度上揭示了光催化劑光生電荷的分離本質，為進一步發展高效太陽能光催化制氫和二氧化碳還原等人工光合體系提供了科學基礎。

　　該項工作得到國家自然科學重大基金、科技部“973”項目和教育部能源材料化學協同創新中心（2011·iChEM）的資助。

大連化物所實現半導體單晶粒子光催化劑上光生電荷分離各向異性的原位光電成像