近日，中國科學院大連化學物理研究所朱劍博士、范峰滔研究員和李燦院士等人利用自主研發(fā)的空間分辨表面光電壓譜和開爾文探針成像系統(tǒng)研究助催化劑在太陽能燃料轉(zhuǎn)化過程中的作用，發(fā)現(xiàn)納米尺度助催化劑可以有效調(diào)控光催化材料內(nèi)建電場的方向和大小，在界面處形成高達2.5kV/cm的內(nèi)建電場，局部的光電壓值可達到80倍的增強。該研究揭示了助催化劑增強光催化甚至熱催化性能的新機制。文章發(fā)表在近期出版的《納米快報》上（Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02799）
大連化物所實現(xiàn)光催化助催化劑調(diào)控內(nèi)建電場的成像
助催化劑是利用光催化和光電催化轉(zhuǎn)化太陽能到化學能過程中非常重要的組成部分。絕大多數(shù)的光催化體系都需要引入助催化劑（cocatalyst）來極大提升光催化的活性。人們一直以來對于助催化劑在上述轉(zhuǎn)化過程中所起到的真正作用并不清楚。其中一個重要的原因在于光催化過程中光生電荷做為一種重要的反應中間物參與了絕大多數(shù)的催化反應基元步驟，因此光催化性能的提升并不能簡單歸屬于助催化所促進的表面反應動力學。范峰滔和李燦研究團隊利用自主研發(fā)的空間分辨表面光電壓譜和開爾文探針成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)在以BiVO4為代表的模型體系上區(qū)域沉積助催化劑后，助催化劑和光催化材料界面的空穴轉(zhuǎn)移得到了極大的增強。令人驚奇的是使未擔載助催化劑的區(qū)域的內(nèi)建電場方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)，且強度提高。實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果進一步表明助催化劑的引入有效的增加了空間電荷層的尺寸，使其由原來兩個獨立相反的內(nèi)建電場變?yōu)橄嗷ミB接且方向一致的內(nèi)建電場，極大的增強了電荷分離的能力。研究還發(fā)現(xiàn)雙助催化劑的使用具有協(xié)同增加內(nèi)建電場的作用。表面光電壓成像研究表明助催化劑的引入在界面處形成高達2.5kV/cm的電場，使得電子和空穴在空間上有效分離。該結(jié)果與之前的研究（Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 9111-9114, JPCL, 2017, 8, 1419–1423）形成了光生電荷成像研究工作的系統(tǒng)性，揭示了提升表界面內(nèi)建電場在構(gòu)筑高效太陽能燃料轉(zhuǎn)化過程中具有決定性的作用。
該工作得到了科技部973項目，國家自然科學基金, 中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)的資助。
