半導(dǎo)體光催化劑激子過程調(diào)控取得新進展
?近日，我院謝毅教授團隊與張群教授研究組合作，在半導(dǎo)體光催化劑激子過程調(diào)控的研究中取得了新進展。研究人員通過考察缺陷結(jié)構(gòu)對于具有強激子效應(yīng)的半導(dǎo)體材料光激發(fā)過程的影響，提出通過缺陷工程來促進體系激子解離，從而實現(xiàn)材料載流子相關(guān)光催化性能的優(yōu)化。研究成果以“Oxygen Vacancy Mediated Exciton Dissociation in BiOBr for Boosting Charge-carrier-involved Molecular Oxygen Activation”為題發(fā)表于重要化學(xué)期刊《美國化學(xué)會志》（J. Am. Chem. Soc., 10.1021/jacs.7b10997）。
作為一種重要的半導(dǎo)體光激發(fā)過程應(yīng)用，光催化過程的研究目前主要集中在基于能帶理論的光生載流子行為調(diào)控方面，而體系中激子效應(yīng)的影響卻被長期忽略。一旦考慮到光生載流子之間的相互作用，激子將會成為一種重要的光生物種，從而限制體系載流子濃度及相關(guān)光催化性能。鑒于具有混亂能量梯度的結(jié)構(gòu)因素能夠使得激子解離成自由載流子，研究人員以BiOBr材料為例提出通過缺陷結(jié)構(gòu)的引入來提升材料載流子相關(guān)光催化性能。
理論模擬顯示，隨著距離氧空位越來越近，原本由鉍原子主導(dǎo)的帶邊電荷密度分布逐漸變?yōu)橛摄G、溴原子的同時主導(dǎo)，這預(yù)示著激子在氧空位附近不穩(wěn)定。光致發(fā)光譜分析顯示，較之無缺陷樣品，含氧空位樣品的激子發(fā)射強度降低和壽命加快，同時氧空位發(fā)射明顯依賴于激子態(tài)發(fā)射，說明氧空位能夠加速體系中的激子解離。超快光譜顯示，含氧空位BiOBr樣品的載流子馳豫時間較之無缺陷樣品具有大約12倍提升，證實了體系中提升的激子解離過程和增加的自由載流子產(chǎn)率。光催化測試顯示，無缺陷和含氧空位BiOBr在可見光激發(fā)下產(chǎn)生的活性氧物種分別為單線態(tài)氧和超氧自由基，說明了兩種材料中分別由激子和載流子主導(dǎo)的光催化過程，進一步印證了氧空位誘導(dǎo)的激子解離現(xiàn)象。得益于其提升的自由載流子產(chǎn)生，含氧空位BiOBr材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性芐胺偶和氧化反應(yīng)活性。
該工作不僅加深了對于缺陷結(jié)構(gòu)在光催化過程中的影響機制的理解，同時也為通過調(diào)控材料激子過程設(shè)計高效光催化劑提供了思路。
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