科學也可以如此靠近

「電荷分離」促進人工光合成燃料

1月
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2020

2020年1月22日21時 中科院之聲

中科院之聲

有一句俗話——「萬物生長靠太陽」,地球上的生命活動大多是依靠太陽的能量進行的。綠色植物通過光合作用,將陽光、水和二氧化碳轉化合成有機化合物,為自身的生存提供物質積累和能量來源,同時也為人類提供了食物來源和燃料基礎(化石燃料如煤、石油、天然氣等)。

圖片來自網絡

隨著當今社會的快速發展,能源的消耗已經遠遠超過了自然光合作用的負荷。化石燃料的過度利用,將大量存儲了億萬年的二氧化碳在極短的時間內排放到大氣中,造成了全球變暖、環境惡化、極端天氣頻發等嚴峻問題,極大地影響了我們賴以生存的地球環境。

發展人工光合成太陽燃料的技術,以遠超過自然光合作用的效率來轉化利用太陽能,可以實現人類的可持續發展。

「電荷分離」可提高人工光合作用的效率

光合成過程涉及水和二氧化碳的反應,其中,把水分解為氫氣(H22222如果用光直接作用於H2O分子來打斷分子中的H-O化學鍵的話,只有短波長的極紫外光(波長小於150nm)才有可能實現,而利用半導體光催化劑在紫外光、可見光甚至紅外光就可以讓水分解反應發生。當光照到半導體光催化劑上時,會產生高能的電子和空穴(稱為「光生電荷」),光生電子和空穴在空間上分開後,分別到達催化劑表面參與產氫反應和產氧反應,完成水的分解反應。

但是,電子帶負電,空穴帶正電,它們很容易互相吸引,最後複合在一起,從而浪費掉,而不發生分解水反應。如果可以人為地將電子和空穴分別轉移到不同的地方(稱為「電荷分離」),那麼就可以減少它們複合的機會,從而提高分解水的能量轉化效率。

中科院大連化物所李燦院士研究團隊長期致力於人工光合成中電荷分離這一關鍵科學問題,取得了系列重要進展,先後提出異相結電荷分離機制,發現晶面間光生電荷分離效應,發展了高對稱性半導體材料的光生電荷分離策略,並自主研發了光生電荷成像表征新技術,在人工光合成研究領域產生了影響。

新研究,為理解光生電荷分離的本質驅動力提供新思路

最近,李燦院士、李仁貴研究員與中科院半導體所閆建昌研究員合作,在光生電荷分離研究中取得了新的突破,發現半導體本徵極性誘導的表面電場,能夠有效促進光生電荷的空間分離,並大幅提升光催化全分解水的活性。

極性,意味著不對稱。比如,CO、NO等就是極性分子,而CO222等就是非極性分子。在晶體結構中,如果在某個方向上原子排布不對稱,我們就說其在這個方向具有極性。對於固體表面來說,如果都是帶同一種正電荷或者負電荷,那麼就是極性表面;如果表面不帶電,就是非極性表面。

圖1. 氮化鎵納米棒陣列光生電荷分離表征

一般情況下,表面極性非常複雜,對於極性誘導產生的性質變化難以探究清楚。該團隊與合作者選取代表性半導體氮化鎵(GaN)作為模型,採用金屬有機氣相沉積方法製備了具有明確表面極性特徵的氮化鎵納米棒陣列結構,陣列結構分別暴露頂端的極性面和垂直側向的非極性面。

研究發現,GaN納米陣列結構的極性面和非極性面之間表現出明顯的光生電荷分離特性,光生電子選擇性地聚集在納米棒的非極性面,而光生空穴則聚集在極性面。這是由於極性面和非極性面的表面偶極矩不同,誘導形成了不同的表面電場,從而驅動光生電子和空穴的選擇性遷移,實現光生電荷的有效分離。

圖2. 氮化鎵納米棒陣列光催化分解水性能表征

進一步通過光電化學和光催化反應表徵發現,具有極性面和非極性面的GaN納米棒的光生電荷分離效率超過80%,較之GaN薄膜的電荷分離效率提升十倍以上,是同類材料報導的電荷分離效率最高值。同時,基於極性和非極性面之間的光生電荷分離效應,分別在極性和非極性表面構築氧化還原雙助催化劑後,可將光催化完全分解水的量子效率從0.9%提升至6.9%。

該工作提出了一種普適的光生電荷分離新策略,為構築高效人工光合成體系奠定了理論基礎,同時,也為進一步加深對光生電荷分離的本質驅動力的理解和認識提供了新的思路。

研究成果「Surface polarity-induced spatial charge separation boosting photocatalytic overall water splitting on GaN nanorod arrays」以Full Article的形式在線發表在《德國應用化學》上(Angew. Chem. Int.

Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201912844)。

來源:中國科學院大連化學物理研究所


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