Solar RRL:梯型(S-Scheme)异质结光催化体系

太阳能光催化能源转化是国际科学研究领域的前沿课题,备受各国政府和科学家的关注,如太阳能通过光催化分解水释放氢燃料,人工光合作用合成碳氢燃料,光催化去除污染物以及灭杀病毒等。其基础科学问题涉及光电转化、光化学转化和光生电荷动力学等多方面,该系列过程一旦获得突破,极有可能从根本上变革能源、环保、化工行业现有结构,对缓解人类目前面临的气候变化、能源安全以及生态环境可持续发展等问题具有重要意义。

图1. S-scheme体系内建电场原理图及其光生电荷空间分离和迁移示意图。

梯型(S-scheme)异质结光催化体系具有高效的光生电荷空间分离和定向迁移性能,且具备强大的氧化还原能力,在太阳能光催化能源转化和开发领域具有广阔的应用前景,因而受到研究者广泛关注。S-scheme异质结光催化体系由具有更高价带电位氧化型半导体光催化剂(OP)和更低导带电位还原型半导体光催化剂(RP)通过匹配的带隙结构和能级(图1A)及紧密接触 (图 1B)构建,电子从费米能级高的 RP 流入费米能级低的OP,与此同时其带边向上弯曲且形成正电荷聚集区域,OP 得到电子,其带边向下弯且形成负电荷聚集区域,带隙边缘弯曲形成电子传输通道。在持续的费米能级差作用下,费米能级不会齐平,RP 和 OP 界面处形成并维持一个内建电场。在太阳光激发下, RP 和 OP 的光生电子从各自价带跃迁至导带,在内建电场作用下,通过弯曲带隙边缘,OP 的光生电子穿过界面迁移至 RP 价带,促使h+和e分别聚集于OP和RP氧化还原活性位点且赋予其强大的氧化还原能力 (图1C),大幅提高光生载流子的利用率。

自2018年武汉理工大学余家国教授提出S-scheme光催化机制以来,鉴于S-scheme异质结光催化体系在太阳能光催化分解水制氢能、CO2还原合成碳氢化学燃料、N2固化合成氨等太阳能转化领域的研究得到快速发展,宁波大学宋少青教授、姜淑娟教授课题组近期在Solar RRL发表了S-scheme异质结光催化体系相关的综述型学术论文。文章首先深入介绍了S-scheme异质结光催化体系构建原则、内建电场形成原理、光生载流子空间分离和定向迁移机制以及独特的光学和电学特性,详细综述了S-scheme异质结光催化体系的带隙结构、能级、电子结构、晶体结构极性特性以及合成策略与光催化分解水制氢、CO2还原、活性氧物种光催化合成及在杀菌和有机物氧化矿化效率间的调控规律;首次提出S-scheme异质结双电场光催化机制,通过引入自发限域极化电场叠加S-scheme内建电场,促使S-scheme异质结光催化材料表面电荷重新分布,活化催化表面,促进反应物分子(如CO2、H2O和N2)的吸附和活化,降低反应势垒,同时调控RP和OP的导带和价带的氧化还原电位,从而直接控制CO2的选择性还原效率以及H2O、N2分解性能。此外,我们也综述和分析了S-scheme异质结光催化体系的实验表征方法和理论计算方法。文章最后提出了S-scheme异质结光催化体系在太阳能光催化能源转化领域未来发展面临的挑战与机遇,同时我们也预测和展望了S-scheme异质结光催化作用机理可能的精确表征。本论文将推动S-scheme异质结光催化体系在太阳能光催化能源转化领域进一步发展。

图2. S-scheme体系在太阳能光催化转化领域中的应用。

宁波大学化学专业二年级本科生包雨洁同学为第一作者,研究生姚国建同学参与本论文综述和研究工作;该工作得到国家自然科学基金、甬江学者特聘教授资助计划、泛3315计划资助。

论文信息:

S‐Scheme Photocatalytic Systems

Yujie Bao, Shaoqing Song*, Guojian Yao, Shujuan Jiang*

First published: 26 March 2021

DOI: 10.1002/solr.202100118