“暴露晶面”和“异质界面”：光催化剂“电荷调控”原理！

劲爆消息! 《纳米结构材料》所有章节内容PDF文件均可下载！光催化应用中常需要由贵金属如Pt, Pd, Rh, Au进行帮助催化。这些所谓的助催化剂所增强的活性通常可归功于：i)与半导体形成的Schottky型接触，从而促进电子传输；ii)促进H0组分形成H2的重组反应(2H0 → H2)，尤其是在Pt, Pd, Rh催化剂上。在传统的光催化应用中，助催化剂通常以纳米颗粒(直径为几纳米)的形式沉积在半导体表面上。为使贵金属的成本最小化并且实现最大化的活性，大量的科研工作以优化颗粒负载和粒径为目标。显然，单原子或团簇状态代表着助催化位点的最大表面积体积比和最大反应活性。

图1光催化产氢助催化剂设计

参考文献: Photocatalysis energy conversion and environmental protection: fundamentals，Nanostructured Materials，2024, 283-293.

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00008-9

光催化剂表面暴露的晶面会通过各种工作机制影响光催化性能。例如，1)表面原子排列决定了反应分子的吸附和活化，调节了催化活性和选择性（图1a）； 2)表面电子能带结构为光生载流子提供可调节的氧化还原能力，用于催化反应（图1b）；3)光收集半导体内部电荷分离和转移的效率也取决于晶体取向，从而导致表面反应的电荷密度变化；多晶面半导体可导致空间电荷分离，使光电子和空穴分别积聚在不同的面上进行还原和氧化反应（图1c）。

通过固-固接触形成异质结界面可从几个方面影响界面电荷传递。例如，1)界面电荷转移发生在载流子从内部向界面转移之后，因此面相关电荷积累会操纵电荷转移（图2a）；能带的界面排列决定了驱动界面电荷转移的电位差（图2b）；界面上的电子耦合和缺陷密度很大程度上影响电荷在界面上的转移效率（图2c）。

从上面的陈述，我们可以确定，高效的光催化材料将可以通过剪裁表面上的暴露晶面和异质结接触面来设计。

https://doi.org/10.1002/advs.201600216

暴露晶面和异质界面在光催化剂中的角色涉及到电荷调控的原理，这在提高光催化剂的效率和活性中起着关键作用。以下是该原理的详细解释：

1.暴露晶面的作用

半导体光催化剂的活性与其暴露的晶面密切相关。不同的晶面具有不同的原子排列和电子结构，这影响了其与反应物的相互作用和反应活性。例如，某些晶面可能导致更好的吸附性能或特定的化学活性，从而增强光催化反应的效率。通过精确调控合成条件，可以暴露特定晶面，以优化光催化剂的活性。

2.异质界面的电荷调控

在光催化剂中，异质界面的形成是一个重要的概念，它指的是不同材料或不同晶面之间的界面。这种界面可以导致电荷的分离和转移，进而促进光催化反应。具体来说，光生电子和空穴可以在异质界面处有效分离，电子和空穴分别迁移到催化剂表面的不同部位参与还原和氧化反应，从而提高整体的光催化效率。

3.电荷调控的应用

电荷调控是光催化剂设计中的关键技术之一。通过调控光催化剂的形貌、结构或暴露的晶面，可以有效控制光生电荷的行为。例如，在BiVO4光催化剂中，通过暴露特定的{040}晶面，可以增强光催化剂的放氧活性。此外，通过在催化剂表面担载助催化剂，可以进一步分离光生电荷，并促进氧化或还原反应，从而进一步提高光催化的效率和稳定性。

Li. R., et al. (2013). “Spatial Separation of Photogenetated Electrons and Holes among {010} and {110} Crystal Facets of BiVO4”, Nat. Commun., 4, 1432.

总结来说，通过精确控制光催化剂的暴露晶面和设计异质界面，可以实现对光生电荷的有效调控，进而提高光催化反应的效率和实用性。这种策略为开发高效、稳定的光催化剂提供了新的途径。