科學(xué)家揭示光電催化水氧化界面電荷轉(zhuǎn)移規(guī)律
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、研究員范峰滔、副研究員陳若天等在太陽能光催化半導(dǎo)體溶液界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊通過結(jié)合納米金屬電極、原位光電化學(xué)和差分放大的辦法，創(chuàng)新地發(fā)展了原位在線條件下光（電）催化體系表界面電化學(xué)勢和光電壓的微觀測量技術(shù)，揭示了光電催化水氧化過程中的光誘導(dǎo)的表面電勢差與水氧化速率之間的普適性線性規(guī)律。相關(guān)成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上。
太陽能光催化反應(yīng)是一個涉及多電子轉(zhuǎn)移的能量爬坡過程，光生電荷分離后發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移、復(fù)合，最終參與表面催化反應(yīng)，整個過程跨越巨大的時間和空間尺度，這使得理解和認(rèn)識該過程的復(fù)雜機(jī)制十分困難。
針對此過程，李燦和范峰滔等發(fā)展了高分辨表面光電壓成像新方法，實現(xiàn)光生電荷的可視化研究，圍繞光催化高效電荷分離研究取得了一系列進(jìn)展，深入揭示了光生電荷從光催化劑內(nèi)部向表面分離和轉(zhuǎn)移的微觀機(jī)制。
在上述的理解的基礎(chǔ)上，在液相反應(yīng)條件下研究光生電荷跨越固液相界面向化學(xué)能轉(zhuǎn)化的過程成為了理解整個太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)換過程的“最后一公里”。
本工作聚焦于理解光催化劑表面光生電荷如何通過半導(dǎo)體溶液界面轉(zhuǎn)移驅(qū)動水分解反應(yīng)這一核心科學(xué)問題。在鈦酸鍶光催化劑水氧化反應(yīng)過程中，團(tuán)隊利用自主研發(fā)的operando表界面電化學(xué)勢測量方法，同時對光催化劑表面和溶液電化學(xué)勢、電子和空穴的準(zhǔn)費米能級、體系光電壓和表面水氧化活性進(jìn)行檢測，解耦了光電催化水分解過程中錯綜復(fù)雜的電荷轉(zhuǎn)移步驟與催化反應(yīng)步驟，發(fā)現(xiàn)了全新的表面催化反應(yīng)促進(jìn)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。通過定量關(guān)聯(lián)，團(tuán)隊揭示了這種全新的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制引起的光催化劑表面與溶液之間的電勢差是界面電荷轉(zhuǎn)移的本質(zhì)驅(qū)動力，且這種驅(qū)動力與界面電荷轉(zhuǎn)移速率具有線性規(guī)律。
團(tuán)隊進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種線性規(guī)律對光生少子界面電荷轉(zhuǎn)移和利用具有普適性，區(qū)別于Bulter-Volmer理論描述的電催化過程電壓與界面電荷轉(zhuǎn)移速率之間的指數(shù)規(guī)律。其內(nèi)在原因是在光電催化過程中光照和外加偏壓只是改變參與反應(yīng)的電荷濃度，不改變參與反應(yīng)的表面電荷的能量和反應(yīng)坐標(biāo)。
這些結(jié)果明晰了光驅(qū)動的半導(dǎo)體溶液界面電荷轉(zhuǎn)移的本質(zhì)驅(qū)動力，建立了對光催化界面電荷轉(zhuǎn)移理論的新的認(rèn)識。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.2c12704
