液体腔透射电镜技术原位研究氧化锌光催化剂的光腐蚀机制

Photocorrosion is the crucial factor that restricts the long-term stability of the photocatalyst in liquid environment. Also, it is always been a troubling problem in this field ecause of the difficulty to get the direct evidence for an in-depth study of the mechanism of photocorrosion. Here, we plan to develop a new kind of light field loaded liquid cell for in-situ TEM (Transmission Electron Microscopy) study of the photocorrosion mechanism of ZnO photocatalyst. By in-situ observation of the successive processes such as the structural change of the photocatalyst, the reaction of the solid-liquid interface and so on, the principle of photocorrosion will be revealed at the atomic level. On this basis, by altering the experimental conditions, we will investigate how the morphology of the photocatalyst, PH value of the solution and radiation of the light field affect the photocorrosion reaction. This study is expected to acquire the direct evidence of the photocorrosion process and establish the mechanism model, which will provide the experimental and theoretical foundation for the design of novel anti-photocorrosion photocatalyst.

光腐蚀作用是制约光催化剂在液体环境中长期稳定使用的重要因素，这个问题一直困扰着光催化领域是因为学者难以获得直接的实验数据对光腐蚀机理进行深入的研究。本项目拟自主开发一种可加载光场的液体腔，使用原位透射电子显微镜技术对液体中ZnO催化剂发生的光腐蚀反应进行研究。通过表征光腐蚀时催化剂的形貌结构以及其固-液界面所发生的一系列变化，在原子的尺度上分析阐明光腐蚀反应的机制。在此基础上，通过改变催化条件来探究ZnO催化剂的形貌、溶液的PH值和光场的辐照等因素对光腐蚀的影响机制。本研究旨在获得光腐蚀的直接实验证据，建立反应机制模型，为光催化剂的抗光腐蚀设计提供实验基础和理论依据。

原位透射电镜液体腔技术已经成为一种研究溶液中纳米材料物理行为和化学反应的重要方法，但是在液体腔系统中加载光场使其适用于光敏材料的原位表征，仍然是一个很有挑战的研究方向。本项目成功完成了“自主构建可加载光场的液体腔”这一目标，利用原位透射电镜技术对一些基础科学问题进行了系统的研究。我们对Au纳米颗粒的成核过程进行了原位研究，通过调节电子束辐照的强度来溶解溶液中较大的颗粒，制造了溶液的过饱和环境，在这种环境中成功的观测了成核以及核的演化过程。我们不仅定量的拟合出特定环境中临界核的大小，更重要的是发现这些核倾向于保持低对称性的形貌，这与经典成核理论中球形临界核的假设相矛盾。接着，我们研究了Au纳米颗粒的取向连接生长机制，通过对颗粒取向连接时运动轨迹的观测以及泛函计算的分析，我们证实了配位体在{111}面上更小的吸附能是造成取向连接发生在{111}面而不是其他晶面的主要原因。另外，我们利用活性金属作为输入离子源，电场力和欧姆热为主要驱动力，实现了电驱动的阳离子交换，并在原子尺度实时记录了整个阳离子交换全过程。此外，通过对加载广场的调节和优化，实现了对ZnO量子点敏化太阳能电池工作过程的原位表征。本项对原来的研究内容进行了适当的调整，成功构建了多场加载的原位测量系统，对在原子尺度上研究纳米材料的特性以及材料的可控合成有着重要的指导意义。