以卟啉为电荷传输媒介实现光生载流子的高效分离

发布者:张璞发布时间:2022-05-17浏览次数:10

光电化学太阳能转换是解决能源需求和环境修复的有效途径,近年来吸引了科研工作者的广泛关注。然而,半导体光电极严重的电荷复合限制了其在太阳能转换方面的进一步应用。为解决该科学难题,异质结的构筑、掺杂、助催化剂的负载等策略被提出并被广泛应用于光电极的构筑,其中助催化剂的负载是最为常用的一种增强光电极表面催化反应动力学增强电荷分离的手段。但是助催化剂的引入可能会影响半导体本身的吸光性能以及在助催化剂与半导体之间形成光生电荷的复合中心,进而影响光电极性能的提升。因此,发展高效的电荷分离策略对于构筑更为有效的光电极具有重要意义。我校卢小泉教授课题组针对该科学问题,将卟啉作为界面电荷转移媒介,如同“排球二传手”一般,基于空穴转移动力学而不是作为传统的光敏化机理,有效地抑制了表面载流子复合。相关结果以“An Efficient Strategy for Boosting Photogenerated Charge Separation by Using Porphyrins as Interfacial Charge Mediators为题发表在Angewandte Chemie International Edition (DOI:10.1002/anie.201908833)上。

该工作通过BVO为光阳极,CoPy(钴卟啉)为电荷传输层,FN-H为助催化剂,得到的复合光阳极在1.23 VRHE的电压下的电流密度为4.75 mA/cm2此外采用强度调制光电流谱(IMPS)和扫描光电化学显微镜(SPECM)技术从微观角度揭示了PEC性能提升的原因。IMPS结果表明卟啉传输层可以调控光生空穴转移动力学,进而有效地抑制光生电子与空穴的复合,增强电荷分离。SPECM结果进一步实现了原位定量地对空穴转移动力学的量化,动力学拟合数据表明卟啉增强了空穴转移动力学,最终实现了高效的电荷分离,使得体系展现出了较高的PEC性能。该策略的提出为太阳能向化学能的高效率。