Chem. Eur. J. :“同相结”助力电子传输层,打造人工光生电荷通报链

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图1  用“同相结”布局调控TiO2电子传输层的表示图和BN-BR/CN系统中光生电子迁徙途径表示图

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图2  BN-BR/CN的透射电镜图和可见光下光催化产氢速率

氢能作为一种干净动力,能无效低落碳排放,将在我国碳中和途径中发扬紧张作用。基于半导体光催化技能将太阳能转化为凯发能并以氢气等情势贮存起来,是太阳能转化和使用的一种无效径,是完成双碳目的的无效途径之一。但是产氢的服从仍旧受制于有限的光使用服从和较低的光生电荷分散服从,这也是太阳能光催化范畴的要害迷信题目。


绿色动物的光互助用是地球上最大的能量贮存体系,其光生电荷分散服从靠近100%。因而,自创天然光互助用体系的光生电荷分散原理可以为设计高效人工光催化剂提供思绪。“Z机制光催化系统”便是模仿电子在PSI和PSII间“相似Z形”的通报途径所提出的,并曾经在设计高效的光催化剂中发扬了紧张的作用。值得一提的是,天然光互助用体系中光生电荷高效分散的次要缘故原由,是其共同的光生电荷迁徙方法:光生电子沿着电子通报链逐级迁徙。电子通报链按氧化复原电位的上下有序分列,且相邻组分的凯发电位差充足小,使得光生电子每步迁徙能量改动小、迁徙容易,从而最大水平地制止了光生电荷的复合几率。


受此启示,张静课题组提出仿习天然光互助用,在人工光催化剂中构建光生电荷通报链,完成光生电荷一连、梯度地迁徙,从而提拔光生电荷分散服从的战略。但由于能带布局之间的巨大差别、微纳米质料晶体布局/晶格婚配性、空间分列等题目难以同时满意,人工光催化系统中光生电荷通报链的构建仍旧是一个困难。


近来,基于课题组提出的“异相结”(统一半导体差别晶相之间的界面地区,Angew. Chem. 2008, 47, 1766;J. Mater. Chem. A 2019, 7, 10264)和“同相结”(统一半导体差别尺寸颗粒之间的界面地区,ACS Catal. 2019, 9, 3242)战略共有的组分间具有巨大能级差别、布局和晶格布局婚配性高的特点,以经典TiO2光催化质料为例,经过“异相结”和“同相结”的奇妙串联,初次完成了人工光催化系统中光生电荷通报链的构建,明显地提拔了光生电荷分散服从和光催化功能(Chem. Commun. 2020, 56, 197)。


为同时加强可见光吸取和光生电荷分散服从,在本事情中,张静课题组以P掺杂C3N4超薄纳米片(CN)为可见光吸取剂,将作为电荷传输层的板钛矿TiO2“同相结”(BN-BR)可控负载在其外表,构建了具有电荷通报链的BN-BR/CN光催化质料。可见光下光催化剖析水产氢的实行后果标明,板钛矿TiO2“同相结”(BN-BR)的负载可以明显地提拔C3N4的光催化活性。这次要是BR 和CN之间构成的Ti-O-N共价键与BR-BN “同相结”协同,完成了定向电荷传输,即CN于可见光引发下的光生电子经过BR接力通报至BN,从而构建出一连的电子定向传输通道,完成高效的光生载流子分散与迁徙,使得BN-BR/CN可见光催化产氢活性在类似质料中表现了共同的上风。原位光堆积Pt的实行也验证了BN-BR/CN中光生电子的迁徙途径。基于BN 粒子巨细对BN-BR “同相结”的调变,可以完成BN-BR/CN复合质料中光生电荷分散服从的调控。


该事情自创了天然光互助用中电子通报链和电池等范畴中电荷传输层的头脑,接纳界面凯发键和“同相结”调控电荷传输层,为同步完成可见光吸取和光生电荷高效分散提供了新思绪。

文信息

Continuous Charge Transport in Carbon Nitride Modulated by Interfacial Chemical Bond and Homophase Junction to Boost Photocatalytic Hydrogen Production

Jing Zhang, Dan Luo, Xuebing Chen, Shuangmei Luo, Jincheng Yin, Ming Shi, Rengui Li, Sheng Ye


Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202202007




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