文献速递 | 谢腾峰团队 Applied Catalysis B: Environmental 光电催化

第一作者：李银银

通讯作者：谢腾峰

DOI:10.1016/j.apcatb.2021.120058

本文亮点
众所周知，离子掺杂能够改变半导体费米能级位置，因此，本文通过Ti⁴⁺掺杂对a-Fe₂O₃的费米能级位置进行微调，进而对Ti-Fe₂O₃/In₂O₃的界面电场强度进行调控，通过表面光电压 (SPV)，电化学阻抗等测试表明了Ti-Fe₂O₃/In₂O₃异质结界面处高效的电荷分离效率；随后通过飞秒瞬态吸收(fs-TAS), 双光束(AM 1.5 + 405 nm)等策略成功证明了其Z型迁移机制。所构筑的以Z型机制转移的Ti-Fe₂O₃/In₂O₃光阳极表现出优异的光催化活性，在1.23 V vs. RHE电位下电流可达2 mA/cm²，是单纯In₂O₃的7倍。为了进一步探究Ti-Fe₂O₃/In₂O₃有效的空穴传输并阐明其光电化学性能明显提高的原因，作者在400 nm激发照射下对样品进行了时间分辨的瞬态吸收光谱（TAS）的测试，用来探测真实的时间光生载流子的动力学，并成功证明了复合光阳极的Z型迁移机制。

前 言

2021年2月，Applied Catalysis B: Environmental杂志在线发表了吉林大学谢腾峰教授团队在光电催化领域的最新研究成果。该工作报道了通过飞秒瞬态吸收以及双光束等手段深入探究Z型异质结的电荷迁移行为。论文第一作者为：李银银。

背 景 介 绍

氢能作为一种可再生清洁无污染的新能源而受到人们的广泛关注，利用取之不尽用之不竭的太阳能产氢成为人们研究的重点和难点。其中，光电化学分解水被视作能够利用太阳能将水分解产生氢能的新技术，而成为未来产生氢能的最理想方式之一。众所周知，光解水氧化半反应是一个四电子过程而成为限制光解水效率的关键因素，因此设计构筑高效的光阳极材料成为提高光催化效率的关键步骤。近年来，Z型异质结由于能够保留更优的氧化还原位点而成为研究的重点，然而大多数的研究并未对界面处电荷的定向迁移行为以及双光子过程进行深入研究。近期，吉林大学化学学院谢腾峰课题组通过对构筑的Ti-Fe₂O₃/In₂O₃异质结进行界面电场的调控确定界面处电荷的定向迁移方向，并通过飞秒瞬态吸收，表面光电压，双光束等策略成功证明了其Z型迁移机制。

图 表 解 析

实验结果表明，以Z型机制迁移的Ti-Fe₂O₃/In₂O₃表现出优异的光电化学性能以及高效的电荷分离效率。相比较单纯的In₂O₃与单纯的Ti-Fe₂O₃，复合光阳极具有最优异的光电流密度，是单纯In₂O₃的7倍，单纯Ti-Fe₂O₃的4倍，也同样表现出最佳的光电转换效率。（图1a，图1b）通过稳态表面光电压（SPV）的测试, 以Z型机制迁移的Ti-Fe₂O₃/In₂O₃光阳极具有最高的电荷分离效率。（图1c）。另外，复合光阳极在碱性条件以及尿素条件下均表现出优异的稳定性。（图1d）。

为了进一步探究电子-空穴分离效率并证明Ti-Fe₂O₃/In₂O₃是以Z型机制进行有效的界面电荷转移，作者在400 nm激光激发下对样品进行了时间分辨的瞬态吸收光谱（fs-TAS），以实时探究光生载流子的动力学特征。当Ti-Fe₂O₃与In₂O₃构成异质结后，正信号的存在是由于界面处Ti-Fe₂O₃的空穴与In₂O₃的电子结合。与其他光阳极相比，150Ti-Fe₂O₃/In₂O₃显示出最低的负信号和最高的正信号。(图2a-d) 这些减弱的负信号和增加的正信号表明，Ti-Fe₂O₃上的空穴数量减少，在界面处Ti-Fe₂O₃更多的空穴与In₂O₃的电子结合，从而成功证明了其Z型迁移机制。另外，在585 nm处双指数函数拟合的TAS的时间曲线图用来探究光生空穴的衰减动力学(图2e-i). 短寿命（τ1）和长寿命（τ2）是Ti-Fe₂O₃在空穴复合前的深浅捕获位点得出的，与纯Ti-Fe₂O₃（τ1：0.79±0.008 ps;τ2：20.43±0.40 ps）相比，150Ti-Fe₂O₃/In₂O₃光电阳极的衰减寿命大大降低到（0.64±0.015 ps）和（8.96±0.32 ps）。这个结果表明150Ti-Fe₂O₃/In₂O₃光阳极中Ti-Fe₂O₃的空穴能更快速迁移到界面去参与反应。

全 文 小 结

以Z型机制转移的Ti-Fe₂O₃/In₂O₃光电阳极通过调节界面电场探究有效的电荷分离提供了一个原型。经过优化的150Ti-Fe₂O₃/In₂O₃光电阳极在1.23 V vs. RHE下显示出2 mA/cm²的优异光电流密度，比单纯的In₂O₃高出近7倍。fs-TAS和SPV测量的结果证实，由于有效的界面电场的建立，Ti-Fe₂O₃/In₂O₃复合材料表现出从In₂O₃到Ti-Fe₂O₃的有效电子转移以及出色的长寿命电荷分离性能。这项工作更深入地探究了界面处光生载流子的电荷迁移行为，展示了界面电场增强对电荷分离效率的影响，并成功证明了其Z型迁移机制。

作 者 简 介

谢腾峰，吉林大学教授。主要研究方向为：光电功能材料及其在环境与能源中的应用。在ACS Catalysis，ChemSusChem和Journal of Materials Chemistry A等国际一流期刊多次发表论文。

文献信息：Y. Li, Q. Wu, Y. Chen, R. Zhang, C. Li, K. Zhang, M. Li, Y. Lin, D. Wang, X. Zou, T. Xie, Interface engineering Z-scheme Ti-Fe₂O₃/In₂O₃ photoanode for highly efficient photoelectrochemical water splitting, Appl. Catal. B Environ. 290 (2021) 120058

本 文 所 使 用 仪 器

关键特征：

• 研究纳秒尺度上光生电荷行为的一种有效手段，具有非接触，无损等优点；
• 能够直观反映出光生电荷的分离方向、分离效率以及电荷寿命等动力学信息；
• 我公司与吉林大学王德军教授拥有着长期深入的合作，可提供仪器使用、谱图解析与数据分析等技术服务。

本文素材来源：吉林大学谢腾峰教授团队。

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