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光催化“记忆”效应研究的新进展
2017-05-25  |          【 】【打印】【关闭

  我们的前期研究工作中发现,光催化“记忆”效应可以通过储存光照产生的高能光生电子,在光照关闭后通过释放这些储存电子产生•O2–活性基团,从而使材料能在光照关闭后较长时间保持活性,充分利用太阳光能实现全天候、无间断地处理环境中的污染物(Advanced Materials, 2008, 20, 3717; Journal of Materials Chemistry, 2010, 20, 1068; ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6, 5629)。已有研究的材料体系要求储存光生电子的修饰组分具有负于单电子氧气还原电势的导带,从而在光照关闭后释放出的电子能够与氧气发生单电子氧气还原反应生成•O2-活性基团,进一步生成•OH活性基团,这大大限制了修饰组分的可选材料范围。

  我们的近期研究工作发现,光催化“记忆”效应的产生并不必须在此过程中通过单电子氧气还原反应生成•O2-活性基团,修饰组分所储存电子还可以通过双电子氧气还原反应生成H2O2,同样能够具有光催化“记忆”效应。因此,修饰组分的材料体系可以大大拓展。此外,具有更低导带电势修饰组元使光吸收功能组分与储存电子功能组分的导带底电势差扩大,有利于增强体系的光生电子转移的能力,其性能也有望得到进一步提升。在此发现的指导下,我们研发出一种具有“记忆”效应的新型光催化材料——氧化锡纳米颗粒修饰的氧化亚铜纳米立方单晶光催化材料。在此体系中,可见光照射下Cu2O纳米立方单晶产生光生电子-空穴对。在p-n结内建电场与匹配能带结构作用下,光生电子转移并富集在SnO2纳米颗粒上,从而增强其可见光下的电子-空穴分离效率,提高其光催化活性。可见光关闭之后,富集的光生电子释放后与氧气发生双电子还原反应,从而在黑暗中产生活性基团H2O2,产生光催化“记忆”效应。研究发现,此材料体系具有很强的在黑暗中通过电子释放持续产生活性H2O2的能力,在光照关闭后24小时仍然能够产生H2O2,从而能够长期持续具有光催化“记忆”效应。此项研究表明,修饰组元的导带底电势可以降低到仅需要负于双电子氧气还原反应电势,因此SnO2、WO3、CuWO4、BiWO6、CeO2等导带底位置高于氧气双电子还原电势位置的半导体材料都可能成为具有光催化“记忆”效应的材料体系中的修饰组元,从而发展出具有光催化“记忆”效应的新型材料体系。相关研究结果发表在Scientific Reports, 6 (2016) 20878。

图1 Cu2O/SnO2 p-n异质结的能带结构、可见光下光催化性能增强机制以及光照关闭后的光催化“记忆”效应机制示意图。

环境功能材料研究部

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