ACS Nano：磁場增強光催化性能研究

【引言】

利用光催化劑，對太陽能進行捕獲與轉化并進一步將其用于化學燃料的存儲以及有機污染物的消除，被認為是解決當前全世界能源與環境危機的重要途徑之一。因此，目前當務之急是提升催化劑的性能。主流方法包括通過離子摻雜手段實現的能帶工程，通過異質結構手段實現的界面設計等，然而盡管這些方法近年來取得了極大成功，但光催化劑的太陽能轉化效率仍遠遠低于預期。為了進一步提升光催化劑性能，一些外場增強催化性能的工作逐漸受到重視。另一方面磁場盡管具有清潔高效無接觸的特點，但由于塞曼能在室溫下遠小于半導體帶隙，因此被認為難以在本質上調節催化劑光催化性能。

【成果簡介】

近日，南京大學王敦輝教授和天津大學米文博教授（共同通訊作者）課題組在ACS Nano上發表了題為 “Enhanced Photocatalytic Performance through Magnetic Field Boosting Carrier Transport”的文章。研究團隊設計了α-Fe₂O₃/rGO 復合結構，并基于該復合結構界面載流子自旋極化的特性，在該體系中獲得了室溫負磁電阻效應，從而提高了參與光催化的載流子的遷移率。研究者提出了自旋相關特性在光催化過程中的作用機理，并利用這一機理實現了α-Fe₂O₃/rGO 復合結構催化劑對有機物降解以及光電流性能的提升。

【圖文導讀】

圖1. α-Fe₂O₃/rGO 復合結構表征

(a) α-Fe₂O₃/rGO 復合結構XRD圖譜；

(b) α-Fe₂O₃/rGO 復合結構拉曼圖譜；

(c) α-Fe₂O₃/rGO 復合結構Fe 2p XPS圖譜；

(d) α-Fe₂O₃/rGO 復合結構C 1s XPS圖譜。

圖2. α-Fe₂O₃/rGO 復合結構磁性、磁電阻性能表征

(a) α-Fe₂O₃/rGO 室溫磁滯回線；

(b) 模擬α-Fe₂O₃/rGO 復合結構界面示意圖；

(c) 模擬α-Fe₂O₃/rGO 復合結構自旋態密度；

(d) α-Fe₂O₃和α-Fe₂O₃/rGO 復合結構的室溫磁電阻性能。

圖3. α-Fe₂O₃/rGO 外磁場下光催化降解性能

(a) 外磁場下光催化設備示意圖；

(b)α-Fe₂O₃/rGO 復合結構在不同外磁場下降解RhB性能；

(c) α-Fe₂O₃/rGO 復合結構在不同外磁場下降解RhB的動力曲線；

(d) α-Fe₂O₃/rGO 復合結構外磁場下降解其他有機物性能。

圖4. α-Fe₂O₃/rGO 復合結構外磁場下光電催化性能

(a) α-Fe₂O₃/rGO復合結構外磁場下光電流性能；

(b)α-Fe₂O₃/rGO 復合結構在外磁場下的電子壽命。

圖5.磁場增強α-Fe₂O₃/rGO 復合結構光催化性能機制圖

(a) α-Fe₂O₃/rGO復合結構無磁場時的電子空穴對遷移；

(b)α-Fe₂O₃/rGO 復合結構在磁場下的電子空穴對遷移。

【小結】

研究者采用水熱法制備了α-Fe₂O₃與還原氧化石墨烯復合材料，研究了在外磁場下該材料光催化降解多種有機物以及光電流情況。由于外磁場引起的負磁電阻效應，光催化性能得到顯著增強。這一效應也為磁場在其它催化領域的廣泛應用帶來了新的可能。

文獻鏈接：Enhanced Photocatalytic Performance through Magnetic Field Boosting Carrier Transport (ACS Nano, 2018, 12 (4), pp 3351–3359)

本文由南京大學王敦輝教授課題組供稿。

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