山東大學 Nano Energy：金屬-半導體/核-殼結構中電磁感應原位產生的微電勢增強電荷分離實現高性能光催化

【引言】

光催化作為一種可持續發展的方法，在實現太陽能向化學能的有效轉化方面具有巨大潛力，實現高效的光催化性能仍然是光催化研究的重要方向。針對半導體光催化劑光生載流子有效分離的研究，目前主要通過構建異質結構與施加外場這兩種途徑。然而對于具有高光催化活性的粉體光催化劑，除了構建異質結構的方法外，光生載流子的分離不能通過與外部電路的連接以施加電場的方式來實現。因此如何無接觸的對粉體光催化劑施加電場，促進粉體光催化劑光生載流子的高效分離，仍然面臨著巨大的挑戰。

【成果簡介】

有鑒于此，山東大學晶體材料國家重點實驗室桑元華副教授（通訊作者）和劉宏教授（通訊作者）提出了一種通過構建納米復合結構實現光催化材料伴隨式電場促進光生載流子分離的策略。利用電磁感應驅動的以金屬為核的金屬-半導體/核-殼納米復合結構的微電勢來增強半導體光催化劑中的電荷分離。將外加磁場施加在常規的光催化反應器裝置下，實現了光催化裂解水產氫效率近110% 提高。金屬-半導體/核-殼納米復合結構產生的電磁感應驅動的伴隨電場體現了在磁場作用下的相對運動到電勢的高效轉換，這為無接觸施加電場作用下提高光催化性能提供了新的策略。相關成果以題為“Electromagnetic induction derived micro-electric potential in metal-semiconductor core-shell hybrid nanostructure enhancing charge separation for high performance photocatalysis” 發表在國際著名期刊Nano Energy上。山東大學碩博連讀博士生高文強為本文的第一作者。

【圖文導讀】

Figure 1. Au 納米棒 (NR)-CdS 納米顆粒 (NP) 核-殼納米復合結構的形貌與結構表征

?(a) Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構的XRD數據；(b) 高分辨CdS納米顆粒和Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構的XPS數據； (c) 高分辨Au NR和Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構的XPS數據； (d) CdS NP, Au NR和Au NR-CdS NP 紫外可見吸收光譜； (e-f) Au NR TEM圖像 (g-h) 高分辨Au NR-CdS NP核-殼結構TEM和FFT圖像；(i) Au NR-CdS NP EDS 元素分布圖像。

Figure 2. Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構在磁場作用下光催化分解水產氫性能對比：

(a)在磁場下光催化分解水產氫裝置示意圖；(b)不同材料樣品有無磁場下光催化分解水產氫性能的對比； (c)Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構在不同磁場強度； (d) 不同光強下光催化分解水產氫性能的對比。

Figure 3. 在磁場作用下電磁感應驅動Au NR產生微電場的電化學測試：

(a) Au NR在有磁場無光照作用下的電流密度；(b) 180s-200s； (c) Au NR在有磁場無光照作用下的感應電勢； (d) 180s-200s; (e) Au NR的感應電動勢在磁場作用下產生的示意圖和通過COMSOL模擬了Au NR表面感應電動勢在磁場作用下的分布。

Figure 4. 在磁場作用下Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構的電化學測試：

(a) 在磁場作用下下Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構的電化學測試裝置示意圖；(b) 在光照條件下，磁場作用下Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構促進光生載流子分離示意圖； (c) Au NR-CdS NP 核-殼納米復合結構的Mott-Schottky測試； (d) 在磁場作用下Au NR-CdS NP 核-殼納米復合結構的光電流測試。

Figure 5. 在磁場作用下等效電場對Au NR-CdS NP核-殼納米復合結構的第一性原理計算結果與納米結構實現光催化材料伴隨式電場促進光生載流子分離示意圖：

(a) CdS結構示意圖。在磁場作用下等效的外加電場在不同方向上施加前后的電子態密度差與CdS的結合鍵距離 (b) 無施加電場；(c) 沿CdS a軸方向和(d) 沿c軸方向施加外加電場；(e) 由于在磁場作用下的電磁感應，CdS納米顆粒中的光生電子和空穴分別附著在具有相反極化電荷的Au NR表面的作用示意圖; (f) 金屬-半導體/核-殼納米復合結構在磁場作用下納米結構實現光催化材料伴隨式電場促進光生載流子分離原理圖。

【小結】

利用金屬-半導體/核-殼納米復合結構，證明了外加磁場對提高光催化分解水產氫的顯著作用。這種增強是通過磁場作用下的電磁感應在Au NR為核產生的微電勢，Au NR作為該復合結構的伴隨式外部電場，驅動CdS光生載流子向相反的方向移動，從而促進了光生載流子的高效分離。這種復合納米結構為粉末光催化劑上無接觸施加電場提供了一種有效的途徑，從而提高了其光催化性能。通過合理的設計金屬-半導體納米復合結構，很多光催化劑可以實現在磁場作用下顯著提高光催化性能的目的。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104624

【作者簡介】

桑元華，山東大學晶體材料研究所副教授，博士生導師。主要從事納米能源轉化材料的研究、鈮酸鋰晶體生長及應用研究、以及生物組織工程材料及干細胞分化相關的研究。作為項目負責人承擔了包括重點研發專項-政府間科技合作項目、山東省杰出青年基金、山東省重大創新工程項目、青年自然基金項目和博士后項目等，作為第一作者或者通訊作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., 等國際重要學術期刊上發表30余篇，其他合作文章60篇，EIS高被引論文11篇，個人H因子達34，獲得發明專利授權16項。

劉宏，教授，博士生導師，2009年獲得國家杰出青年科學基金。主要研究方向為納米能源材料、組織工程與干細胞分化、人工晶體材料等。近十年來承擔了包括863、973、自然基金重大項目在內的十余項國家級科研項目，取得了重要進展。2004年至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci.等學術期刊上發表SCI文章200余篇，通訊作者164篇。其中，影響因子大于10的近30篇，個人文章總被引次數超過10050次，H因子為59，17篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）選為 “過去十年高被引用論文” (Highly Cited Papers (last 10 years)), 文章入選2013年中國百篇最具影響國際學術論文，2015年度進入英國皇家化學會期刊前百分之一高被引中國作者榜單，2018、2019年科睿唯安全球高被引作者。應邀在化學頂尖期刊Chemical Society Review和材料頂尖期刊Advanced Materials和 Advanced Engergy Materials上發表綜述性學術論文，在國際上產生重要影響。授權專利30余項，研究成果已經在相關產業得到應用。