凝聚相超快光譜與動力學(xué)機(jī)理研究取得新進(jìn)展

　　

超快光譜研究揭示CH3OH/g-C3N4界面發(fā)生的光激發(fā)反向空穴轉(zhuǎn)移動力學(xué)

　　

　　眾所周知，在諸如光解水產(chǎn)氫、二氧化碳轉(zhuǎn)化等光催化還原反應(yīng)的研究中，為了提高光激發(fā)電子的利用效率，空穴犧牲劑往往被加入待研究體系以抑制有害的電子-空穴復(fù)合。添加空穴犧牲劑雖已成為光催化研究領(lǐng)域的一項常規(guī)操作，但其背后所涉及的光激發(fā)空穴動力學(xué)行為機(jī)制卻不甚明朗，從而導(dǎo)致人們在選用合適的空穴犧牲劑時往往囿于經(jīng)驗、存在一定的盲目性。就凝聚相表界面體系中的光激發(fā)空穴動力學(xué)而言，因其牽涉的是激發(fā)態(tài)而非基態(tài)的荷電載流子行為，目前的認(rèn)知還主要是由理論描述或模擬提供，相關(guān)結(jié)果與實際情況不符或存在偏差難以避免，亟需來自微觀層面的實驗研究信息。

　　

　　鑒于此，研究人員聚焦具有代表性的CH3OH/g-C3N4界面體系中的光激發(fā)空穴動力學(xué)，采用飛秒時間分辨的超快光譜與動力學(xué)測量技術(shù)，開展了一套精心設(shè)計的比較和控制實驗。首先，通過比照分析不同溶劑條件下的超快特征譜及其演化，不僅給出了反向空穴轉(zhuǎn)移過程(由空穴犧牲劑分子到半導(dǎo)體材料表面)的首例實驗指認(rèn)，而且量化了該過程的時間尺度(幾百皮秒)。其次，通過質(zhì)子化g-C3N4的控制實驗，印證了理論所預(yù)測的吸附在半導(dǎo)體材料表面的去質(zhì)子化甲醇分子是主導(dǎo)其空穴犧牲能力的化學(xué)物種。此外，還通過比照分析不同波長飛秒激光激發(fā)下的實驗結(jié)果，揭示了該類體系中存在的熱空穴轉(zhuǎn)移效應(yīng)。更為重要的是，通過比照分析不同空穴犧牲劑分子(如甲醇、乙醇、乙二醇等)存在下的反向空穴轉(zhuǎn)移速率，提出了衡量空穴犧牲能力的微觀動力學(xué)定量判據(jù)。這些來自超快光譜與動力學(xué)實驗研究的新發(fā)現(xiàn)，將為相關(guān)光催化研究提供具有普適意義的機(jī)理認(rèn)知和指導(dǎo)。

　　

　　該論文的第一作者是張群教授和羅毅教授共同指導(dǎo)的博士研究生陳宗威。這項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委及中科院的項目資助。

　　

　　編輯點(diǎn)評

　　

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　　(原標(biāo)題：凝聚相超快光譜研究取得新進(jìn)展：光激發(fā)反向空穴轉(zhuǎn)移動力學(xué))