吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

二維平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光生載流子快速分離和傳輸

吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

隨著全球經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源的過(guò)度消耗引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺等世界性問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新型能源技術(shù)已成為當(dāng)前人類發(fā)展所面臨的重要目標(biāo)1。利用光催化水分解把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅淠艿姆绞奖黄毡檎J(rèn)為是解決人類未來(lái)能源的有效途徑之一，這亟需高效、穩(wěn)定和廉價(jià)的太陽(yáng)能水分解制氫催化劑材料。然而，在體相材料的光催化水分解過(guò)程中，長(zhǎng)的遷移距離、緩慢的遷移速率使得大量光生電子-空穴在到達(dá)表面活性位點(diǎn)前就發(fā)生復(fù)合，嚴(yán)重制約了光解水能量轉(zhuǎn)換效率的提升。

為實(shí)現(xiàn)光生載流子的快速分離，需要發(fā)展新材料或構(gòu)建新結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的摻雜改性能夠加快光生載流子傳輸，同時(shí)也極易引入光生載流子復(fù)合中心；由二維材料有序堆疊形成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效減少光生載流子的體相復(fù)合，但其弱的層間范德瓦爾斯力難以驅(qū)動(dòng)光生載流子在層間的有效傳輸2－5。為克服光生載流子遷移驅(qū)動(dòng)力不足的缺陷，需要在二維材料內(nèi)引入較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)并進(jìn)一步改善其電荷的傳導(dǎo)特性，才能夠引導(dǎo)光生載流子在二維平面內(nèi)的快速傳輸，實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離，顯著提升其光催化水分解效率。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室韋世強(qiáng)教授研究組以二維氮化碳(g-C3N4)材料為基質(zhì)，提出了構(gòu)建新型二維π共軛平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光生載流子在二維平面內(nèi)快速分離的理念，并利用同步輻射技術(shù)深入研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)表在Journal of the American Chem ical Society雜志上6。通過(guò)將碳環(huán)嵌入類石墨烯材料sp2雜化的二維平面內(nèi)形成π共軛鍵連接的平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用局域微區(qū)異質(zhì)界面內(nèi)建電場(chǎng)及時(shí)快速地驅(qū)動(dòng)光生電子和空穴空間分離，顯著提升了光生載流子的平均遷移長(zhǎng)度和有效壽命。同步輻射X射線吸收譜學(xué)技術(shù)以及電化學(xué)方法揭示了光生電子-空穴快速分離的內(nèi)在機(jī)制，發(fā)現(xiàn)碳環(huán)強(qiáng)的電子親和力能及時(shí)俘獲光生電子，并將平面電荷去局域化促進(jìn)空穴傳輸，從而有效抑制光生載流子的復(fù)合。他們所設(shè)計(jì)的Cring-C3N4平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)不但能有效拓展催化劑對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收，而且顯著提升了其可見(jiàn)光全解水的效率。該工作有效分離了光生載流子，極大提高了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，為構(gòu)建新型太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料提供了新的理念和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)Zhang,G.;Zhang,M.;Ye,X.;Qiu,X.;Lin,S.;Wang,X.Adv. Mater.2014,26,805.doi:10.1002/adma.201303611

(3)Deng,D.;Novoselov,K.S.;Fu,Q.;Zheng,N.;Tian,Z.;Bao,X. Nat.Nanotech.2016,11,218.doi:10.1038/nnano.2015.340

(4)Duan,X.;Wang,C.;Pan,A.;Yu,R.;Duan,X.Chem.Soc.Rev. 2015,44,8859.doi:10.1039/C5CS00507H

(5)DiValentin,C.;Pacchioni,G.Acc.Chem.Res.2014,47,3233. doi:10.1021/ar4002944

(6)Che,W.;Cheng,W.R.;Yao,T.;Tang,F.M.;Liu,W.;Su,H.; Huang,Y.Y.;Liu,Q.H.;Liu,J.K.;Hu,F.C.;Pan,Z.Y.;Sun,Z. H.;Wei,S.Q.J.Am.Chem.Soc.2017,doi:10.1021/jacs.6b11878

Two-Dimensional in-Plane Heterostructure Achieving Fast Photocarrier Separation and Transfer

WU Kai
(SchoolofChemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P.R.China)

ew is,N.S.Science2016,351,353.

10.1126/science. aad5117

doi:10.3866/PKU.WHXB201702171

www.whxb.pku.edu.cn