EcoMat:清华大学朱永法课题组—内建电场工程调控光生电荷分离增强光催化活性

作者:郭燕,时文歆,朱永法 (通讯作者)
1.简要背景
光催化作为一种理想的技术,在环境修复和可再生能源的生产中显示出巨大的潜力,但是光生载流子的复合是光催化效率的关键限制因素。尽可能抑制光生电子-空穴对的复合是提高光催化活性的主要研究目标之一。在这方面,大量工作致力于探索和设计有利于电荷分离的新型光催化系统以提高光催化效率,包括尺寸调控、晶型或晶面调控、元素掺杂、半导体及缺陷构建等策略,为高效电荷分离和光催化系统的高性能做出了重大贡献。尽管倾注大量努力,但电荷分离方面的进展仍然取得了有限的成功,因此需要新的策略来进一步改善。
追溯电荷流动的物理原理,电场是电荷定向迁移的驱动力。基于该理论,将外部电场施加到以电极形式固定的光催化剂上,以促进光生电荷的定向迁移的光电催化技术蓬勃发展。然而,外部电压不能施加到非固定的光催化剂上,特别是它还会带来一些额外的能量消耗,这限制了其在光催化领域的贡献。自然,我们将注意力转移到光催化剂本身的内建电场(Internal electric field,也称为built-in electric field),它不受光催化剂形式的限制,而且没有额外的能量消耗。最近,有研究工作表明新兴的内建电场工程是改善光催化剂的内相和表面上的光生电荷分离有效的策略。然而,由于对光催化剂内建电场的认识刚刚起步,不仅缺乏对内建电场的深刻理解,关于内建电场应用在光催化领域的综述也是空白。此外,尚未对内建电场的量化方法和增强策略进行系统整理和描述。因此,为提供制备高效光催化剂的新型方向指导,抑制光生载流子的复合进而提高光催化活性,有必要对内建电场进行穷理尽微。
2.解决的问题及亮点
内建电场工程是一种新兴且可行的通过促进电荷分离和迁移以提高光催化效率的有效途径。在这篇综述中,朱永法课题组结合组内研究,追溯了内建电场的来源、给出了量化内建电场方法、总结了增强策略。以内建电场加速光生电荷分离的实例,解读了内建电场在光催化中的最新应用进展,表明内建电场工程是一个重要的、令人振奋且潜力巨大的新兴研究领域、是调控光生电荷的全新视角。最后,讨论了内建电场工程在增强电荷分离和光催化性能的中的挑战和机遇。本综述填补了当下对内建电场在光催化领域应用的系统评论的空白,为今后运用内建电场工程开发高性能光催化材料提供了有益指导。相关论文以题目为“Internal Electric Field Engineering for Steering Photogenerated Charge Separation and Enhancing Photoactivity”发表在EcoMat.上。(EcoMat. 2019;e12007.)