光催化水氧化机理的超快光谱研究

Photogenerated charge recombination is one of the key factors limiting the overall efficiency in photocatalytic water splitting reaction on semiconductor-based photocatalyst. The loaded cocatalysts, the hole-storage layer, and the surface/interfacial modification have proved to be effective methods of promoting photogenerated charge separation. In this project, we are planning to focus on the modulation mechanism of photogenerated charge dynamics by these methods. We will characterize the photogenerated charge dynamics on large time range from fs to second using transient absorption spectroscopy, especially on microsecond-second timescale, which is the timescale for water oxidation reaction. We will investigate the effect of the loading method and treatments of the cocatalysts (such as CoPi, CoOx, molecular catalysts) on photoinduced charge dynamics, study the effect of hole-storage layer and surface/interface layer on photogenerated charge dynamics, explore the modulation mechanism by considering the effect on different time scales. Through the implementation of this proposal, a theoretical basis can be provided for the rational construction of the high efficient artificial photosynthetic systems.

光生电子空穴的复合是制约半导体光催化高效分解水的关键因素，光催化水氧化半反应是光催化分解水的瓶颈反应。助催化剂担载、空穴储存层的构筑、表界面修饰等方法是提高光催化水氧化效率的有效策略。这些方法本质上是动力学调控光催化水氧化机理。本项目将围绕这一关键性科学问题，在多时间尺度上使用瞬态吸收光谱研究光生电荷动力学，特别是微秒-秒水氧化反应时间尺度的表征，在准原位条件下研究助催化剂担载（CoPi、CoOx、分子催化剂等）、空穴储存层构筑（水合氧化铁等）、表界面修饰等策略对光生电荷迁移、复合、界面转移、反应等各过程的不同作用机制，考察助催化剂、空穴储存层、表界面层的可控担载、制备和处理方法的影响，认识不同策略调控光催化水氧化机理的动力学根源，揭示光催化水氧化调控策略的本质规律。本项目的实施，揭示光催化水氧化动力学机理，为理性构筑高效人工光合成体系提供实验基础和理论指导。

光生电子空穴的复合是制约半导体光催化高效分解水的关键因素。光催化水氧化半反应是光催化分解水的瓶颈反应，光催化水氧化动力学是光催化研究的关键科学问题。助催化剂担载、空穴储存层的构筑、表界面修饰等方法是提高光催化水氧化效率的有效策略。这些方法本质上是动力学调控光催化水氧化机理。本项目围绕光催化动力学这一关键科学问题，在多时间尺度上使用时间分辨光谱研究光生电荷动力学（原位红外、时间分辨红外、瞬态吸收光谱、荧光光谱等），特别是自主研发的高灵敏慢瞬态吸收光谱技术（Slow TAS），在微秒-秒水氧化反应时间尺度进行深入研究。在准原位、原位、或工况条件下研究光催化水氧化机理，深入研究助催化剂担载（CoPi、CoOx、分子催化剂等）、空穴储存层构筑（水合氧化铁等）、表界面修饰（CoPi、同质结）等策略对光生电荷迁移、复合、界面转移、反应等各过程的不同作用机制，考察助催化剂、空穴储存层、表界面层的可控担载、制备和处理方法的影响。本项目通过系统深入的研究，揭示了NaTaO3光催化晶格氧水氧化和Ga2O3光催化端羟基水氧化机理；揭示了Rh-Cr2O3双组分助催化剂的动力学作用机制和钴肟分子催化剂锚定基团长度和结构的动力学作用机制；揭示水合氧化铁的空穴储存层作用机制；揭示Fe2O3同质结构筑、CoPi表面修饰层等表界面修饰的光生电荷动力学调控机制。这些研究成果揭示了光催化水氧化机理和光生电荷动力学的调控规律，为理性构筑高效人工光合成体系提供实验基础和理论指导。