表面极化技术在空穴调控中的应用

近年来，日益增长的能源需求和持续的环境污染问题，使得光催化分解水的研究备受关注。光催化分解水可作为一种有效的方法来转换和储存太阳能，可以用来生产H2、CH4等。在众多光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化能力强等优点，得到了广泛的研究。TiO2的光催化性能研究开始于30年前，尽管TiO2只从太阳光谱中吸收紫外光，但由于其低成本、高稳定性，以及价带和导带的能级位置适用于水的氧化和质子的还原，所以是一个极佳的光催化分解水研究模型。遗憾的是，TiO2光催化系统产生氧气的量子产率低，这限制了其广泛的应用。大量的研究表明，TiO2光催化系统量子产率低的主要原因是由于光生电子和光生空穴在TiO2表面的快速重组（发生在毫秒甚至纳秒时间范围内）。很多研究者试图解决以上问题，如对光催化TiO2进行过渡金属掺杂、表面改性或调控其微观形貌等，分别获得了不同程度的成功。其中表面改性（如卤素离子、磷酸负离子等处理）可以改变TiO2表面电荷转移发生的途径，从而显著提升其光催化性能。

磷酸负离子可通过表面羟基基团强烈吸附到TiO2表面，从而极大地影响TiO2的界面和表面化学性质。然而，只有极少数的研究集中在磷酸修饰的TiO2光催化反应体系中。一般而言，我们很难清楚地揭示磷酸修饰的TiO2光催化反应体系的机制，因为磷酸修饰的TiO2通常同时拥有很多不同的属性，如表面积改变、晶体结构和结晶度改变，以及会引入不同类型的污染物。时间分辨光谱学是研究TiO2光催化反应体系机制的有效手段。瞬态吸收光谱学使用短波长激光脉冲辐照TiO2半导体，在TiO2表面被捕获的电子和空穴的吸收最大值分别对应在～800nm和～450 nm处。瞬态吸收光谱学曾被用来在一个完整的光电化学电池中研究水氧化的机制，结果证明在正偏压下，水的氧化发生在毫秒时间尺度下，比电子空穴复合速度慢得多（发生在纳秒到微秒时间尺度内）。(www.xing528.com)

在本工作中，我们使用磷酸修饰的TiO2光催化反应体系作为模型系统研究探索光生载流子的动态过程是如何通过磷酸修饰影响的。我们采用相对低强度激光激发TiO2半导体，这与大气环境下太阳能辐射相似。我们的结果表明，磷酸修饰的TiO2光催化反应体系可用于高效的光电化学分解水，主要是基于光生载流子（光生电子和光生空穴）寿命的增加，如图170.2所示，在负静电场中形成表面层。这项工作是光催化分解水领域内非常重要的探索。