我所揭示光电催化中表面电荷和催化反应间的线性规律

  近日,我所催化基础国家重点实验室太阳能研究部李灿院士、范峰滔研究员等在光电极表面的液相原位光电压成像研究中取得新进展,巧妙的结合间距可调的Pt/Si光电极解耦催化位点和光生电荷的浓度,揭示了光电催化中表面电荷密度和催化反应间的线性规律。

  光电化学制氢是实现太阳能到可再生氢能的重要途径。其核心的科学问题之一是如何理解光电化学中界面电荷转移和表面催化反应间的关系。对于光生电荷参与的催化反应,电极/溶液界面微纳尺度下的复杂性使得电荷转移和催化反应位点存在空间不一致等问题。理解局部表面电荷如何影响光电催化中产氢活性,以及如何在反应位点上揭示二者之间规律,对科学层面上认识光电化学和理性构筑光电体系非常重要。

  本工作中,该团队利用液相原位空间分辨的光电压方法,并结合间距可调的Pt阵列/Si光电极研究体系,巧妙地解耦了表面催化反应和光生电荷转移过程。通过同时调控Pt阵列间距和偏压,研究人员发现光电极中表面局域催化反应位点上的光生电荷密度,是按照线性关系来约束催化反应电流的;与电催化不同的是,偏压在这个体系中并不直接改变表面催化反应的活化能,而是通过影响表面电荷的浓度来约束催化性能。

  李灿团队长期致力于太阳能光催化、光电催化、电催化以及催化光谱表征的前沿科学研究,取得了系列成果。特别是利用自主研发的空间分辨的表面光电压显微镜对光催化剂表面光生电荷给出了可视化图像,在国际上最早将其应用到微纳尺度光催化材料电荷分离的成像研究(Angew. Chem. Int. Ed.,2015;Nature Energy,2018;Angew. Chem. Int. Ed.,2020等)中。近期,团队进一步实现了液相反应条件下化学反应以及内电势分布的微纳米成像(Nano Letters,2021)。

  相关研究成果以“Identifying the Role of the Local Charge Density on the Hydrogen Evolution Reaction of the Photoelectrode”为题,发表在《物理化学快报》(J. Phys. Chem. Lett.)上。该工作的第一作者是我所DNL16博士研究生聂伟。该工作得到国家自然科学基金委、“人工光合成”基础科学中心项目(FReCAP)、中科院基础研究领域青年团队计划、我所创新基金等项目的资助。(文/图 聂伟、范峰滔)

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c03127

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