表面异相结可显著提高半导体光催化分解水活性

光催化完全分解水是利用催化剂吸收光产生的电子和空穴将水分解为化学计量比为2:1的氢气与氧气。光生电子和空穴的高效分离与迁移是提高此反应效率的关键因素之一,许多光催化剂虽然具备了分解水的基本热力学条件,但是由于光生电子和空穴的分离效率很低,光催化分解水反应的活性很低。

在前期工作中,中国科学院大连化学物理研究所李灿院士领导的研究团队曾在国际上率先提出了异相结的概念,并经过大量的工作表明形成表面异相结是提高半导体光催化剂中光生电子与空穴分离效率的一个有效策略。2008年,通过对TiO2的研究发现了当TiO2的锐钛矿与金红石形成异相结的时候,可以大幅提高光催化产氢的活性(Angew. Chem. Int. Ed., 120: 1766-1769 2008)。通过调变P25(TiO2商品名)异相结组成,还可以进一步提高光催化剂的产氢活性(J. Catal., 278, 329-335, 2011)。

在前期工作基础上,李灿院士研究团队目前在光催化完全分解水研究方面又取得最新进展,发现在以Ga2O3为基础的半导体催化剂中,当其表面形成alpha相与beta相的相结时,可使得光催化分解水的活性大幅提高。时间分辨光谱和电化学研究揭示这种表面异相结可以有效地促进光生电子与空穴的分离。相关结果以研究通讯的形式近期发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201207554),并被评为当期“Hot Paper”。

由于多晶相现象是半导体材料中一种较常见的现象,因此通过构建异相结提高光生电子与空穴的分离效率可以成为一种普适的策略,为发展基于半导体的高效光催化剂提供了新的思路。