科學家確認半導體光催化劑活性晶面依賴的本質(zhì)原因

近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室李燦、李仁貴團隊在半導體光催化劑暴露晶面的本質(zhì)作用研究方面取得新進展：觀察到光催化研究中活性晶面依賴的關(guān)系，確認了活性晶面的光催化活性差異是由不同共存暴露晶面之間的光生電荷分離性質(zhì)決定的。

人工光合成太陽燃料是國際科學領(lǐng)域的“圣杯式”科學課題，而光生電荷分離是人工光合成的核心科學問題。李燦團隊長期致力于人工光合成太陽燃料研究，取得了系列進展：先后提出異相結(jié)電荷分離機制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008；Angew. Chem. Int. Ed., 2012）、發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yīng)（Nature Commun. 2013；Energy Environ. Sci. 2014）、發(fā)展了高對稱性半導體材料的光生電荷分離策略（Energy Environ. Sci. 2016）、提出極性誘導的光生電荷分離新策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2020），并自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018）等。尤其是該團隊近年來提出的晶面間光生電荷分離策略，已發(fā)展成為太陽能光催化研究領(lǐng)域最受關(guān)注的研究方向之一。

雖然半導體光催化材料的形貌和晶面調(diào)控被證明是提高光催化性能的有效途徑之一，但關(guān)于形貌和晶面如何影響光催化性能仍然眾說紛紜，研究人員往往將光催化活性的差異歸結(jié)于所謂的高活性晶面，但對于活性晶面本質(zhì)的認識并不清楚。本工作中，研究團隊基于前期對晶面間光生電荷分離的研究基礎(chǔ)，以典型的氧溴化鉍（BiOBr）半導體為研究模型，分別可控合成了兩種具有特定晶面的BiOBr納米晶。研究發(fā)現(xiàn)，具有特定晶面暴露的納米晶的光催化活性差異并不直接與高暴露比例的晶面性質(zhì)關(guān)聯(lián)，而是和與之共同暴露的晶面性質(zhì)密切相關(guān)，這些與之共存的晶面暴露比例雖小，但其存在真正決定了高暴露比例晶面在光催化反應(yīng)中所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。由于低暴露比例晶面和高暴露比例晶面表面能帶彎曲程度的差異會誘導光生電荷在不同晶面之間發(fā)生空間分離，且由于共存晶面的不同導致晶面間光生電荷分離性質(zhì)的差異，直接影響了納米晶在光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出不同的催化性能。該研究工作進一步澄清了半導體光催化劑晶面依賴的光催化反應(yīng)的本質(zhì)，對于深入理解半導體納米光催化劑的光生電荷分離和催化反應(yīng)機制具有重要的科學價值。

研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，第一作者是博士生石明。該工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項A“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”子課題和興遼英才計劃等的支持。