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南工大实现光催化材料内建电场自修复

  中化新网讯 “自然界中,藤蔓植物可以通过自身螺旋结构的伸缩变形,来抵御风吹而不受损伤。从这里我们受到启发,设计了压电-光催化复合螺旋结构。”代宝莹博士说,“我们制备的是像弹簧一样螺旋结构,只是弹簧换成了压电材料和催化剂的复合材料,从而实现了内建电场的自修复,并持续增强光催化性能的提高。”日前,南京工业大学陆春华教授、寇佳慧副教授团队同东南大学赵远锦教授团队合作的这一研究成果,发表在Advanced Functional Materials(《先进功能材料》)期刊上。

  如今,环境污染和能源危机的加剧使光催化材料技术备受瞩目,目前光催化技术大规模应用存在的主要问题在于其较低的光催化效率,其中光生载流子(即光催化剂在受到光的激发作用下产生的电子和空穴)分离效率是决定光催化剂活性的关键因素之一。为了促进光生电子-空穴对的分离,研究者开发了很多的改性方法,其中构筑内建电场被视为提高光催化活性的有效方法(我们一般说的内建电场指的都是静态内建电场,半导体材料的内建是指材料自身晶体结构导致的电场,一般是定向的,且电场大小不变)。然而,静态的内建电场很容易被内部和外部电荷所屏蔽,削弱其对光催化性能的增强作用。

  “自然界中生物具有的自愈系统可以帮助其抵御外界的损伤或攻击,如果赋予光催化剂内建电场较强的自修复能力,那么光催化剂的活性及耐久性将得到显著提高。”据论文第一作者、南京工业大学代宝莹博士介绍,藤蔓植物可通过自身螺旋结构的伸缩变形抵御风吹而不受损伤,那么将压电材料(即:当材料受到外力作用时会在材料表面产生电势的材料)设计为螺旋结构,将有利于其在风、水流等自然流体介质作用下发生变形产生压电势(指在外力作用下压电材料表面产生的电势),从而提供能量,驱动自修复内建电场,自修复内建电场则可以有效避免内部和外部电荷的屏蔽。

  “上面说到的光生载流子分离效率,是指光生电子-空穴对分离的百分比。举个例子,比如光激发后产生100个电子-空穴对,但是有30个得到了有效的分离并参与光催化反应,其他的都复合或以其他的形式把能量释放掉了,载流子的分离效率就是30%。”代宝莹说,“我们的工作就是在催化剂复合体系里面引入压电势,驱动电子和空穴的有效分离。”

  基于此,南京工业大学陆春华教授、寇佳慧副教授团队同东南大学赵远锦教授团队合作,设计并构筑压电-光催化复合螺旋结构,实现了内建电场的自修复,并持续增强光催化性能的提高。另外,通过瞬态光电压技术及荧光光谱表征提供了自修复内建电场促进载流子分离的直接实验证据。

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