半导体光催化反应过程中电荷迁移直接观测研究

Photocatalysis could serve as one of the most potential technique to solve current energy and environmental crisis. However, the photoelectron transfer mechanism between semiconductor photocatalyst and the activity species in photocatalytic reaction system is not clear and still under investigation. The proposed research will focus on the exploration of a novel synchronous illumination X-ray photoelectron spectroscopy for direct observations of the photocharge separation and transfer process of photocatalysts in photocatalytic water splitting process, and discuss the influence of sacrificial reagent and co-catalyst on the photocharge separation of photocatalysts in reaction process. Thus, the changes of the electron transfer in the excited state and the photocatalytic intermediate were measured by high sensitivity in-situ mass spectrometry or chromatography. With the combination of theoretical calculation, reveal the structure-activity relationship between the excited state properties of photocatalysts and their properties. It is expected that this research will direct observations of the photocharge separation and transfer mechanism of photocatalysts in photocatalytic reaction, which provide important research ideas and goals for the development of efficient and stable photocatalysts and reaction system.

光催化是解决当今所面临的能源和环境问题最理想的技术途径之一，然而对于反应过程中光催化剂与反应物之间的电荷转移作用机制尚不明确。本项目拟采用协同光照光电子能谱技术(SI-XPS)直接观测半导体光催化水分解反应过程中光生电荷分离及转移作用机制，并进一步研究牺牲试剂及助催化剂等对光催化反应过程中半导体光生电荷转移的影响及作用。此外，通过高灵敏度原位质谱和色谱分析激发态电子转移与反应中间体之间的变化规律，并与理论计算相结合探索激发态下电荷迁移特性与光催化性能间的构效关系，从而揭示光催化反应过程中光生电荷转移及催化反应本质。此研究可以有效实现直接观测半导体光生电荷迁移及反应过程，并且在光催化研究领域具有较高的通用性和实用性，可为发展高效稳定半导体光催化剂和反应体系提供重要实验依据及研究方法。

众所周知，光生电荷分离及迁移是影响半导体光催化活性的重要因素之一。为探究其对光催化活性的影响及作用，本课题重点围绕直接观测光催化反应过程中半导体光生电荷分离及迁移方向进行研究，探究激发态下半导体电子结构、光生电荷迁移、反应中间体与半导体原子间的成键模式，从而构建出高活性光催化剂及高效光催化体系，对推动光催化技术的发展及实际应用具有重要科学研究意义。项目执行期间利用自主研发协同光照X射线光电子能谱技术对光催化反应过程中光生电荷分离及迁移进行了详细探究，具体研究成果分为如下两个方面：1)系统研究半导体电子结构变化，光生电荷迁移及其表面成键模式对光催化反应活性的影响。2)结合理论计算和其他原位表征技术研究水分子、助催化剂（如Pt，Au等）、牺牲试剂（如甲醇等）等对光生电荷迁移的影响及作用，深入探究激发态下半导体光生电荷迁移与光催化反应性能间的各种关联因素并阐明电荷转移催化作用机制。项目执行期间在Angew. Chem. Int. Ed, Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊发表15篇研究论文，其研究成果为激发态下半导体光催化剂原子间光生电荷分离及迁移提供直接实验证据，为发展高效稳定半导体光催化剂及催化反应体系提供重要实验依据及研究方法。本研究项目基本完成了计划书上规定任务及预期研究目标。