锐钛矿/金红石TiO2相结界面电荷分离的时间分辨发光光谱研究

• Published in: 催化学报 Vol. 37; no. 12; pp. 2059 - 2068
• Main Author: 王秀丽 沈帅 冯兆池 李灿
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 洁净能源国家实验室, 辽宁大连116023 2016
• Subjects: 时间分辨发光光谱; 氧化钛; 电荷分离; 电荷复合; 锐钛矿/金红石相结; 锐钛矿/金红石相结; Time-resolved photoluminescence; Titanium dioxide (TiO2); Charge separation; 电荷分离; 时间分辨发光光谱; Charge recombination; Anatase/rutile phase junction; 氧化钛; 电荷复合
• ISSN: 0253-9837; 1872-2067
• DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62574-3

“结”的构筑,被证实是提高电荷分离效率的重要策略,在太阳电池、光催化等领域有广泛应用.跟踪研究异质结、异相结处的电荷转移动力学,可深入认识结的作用,进一步指导新材料、新结构的设计合成.锐钛矿/金红石TiO2异相结,可大大提高TiO2光催化重整生物质制氢的产氢性能.锐钛矿/金红石异相结处的电荷分离、复合等动力学行为还亟需进一步深入研究,我们使用时间分辨发光光谱技术,重点研究了锐钛矿和金红石界面处的电荷转移过程及其对电荷复合过程的影响机制.我们制备了一系列具有不同晶相组成的TiO2催化剂,使用XRD和表面灵敏的紫外拉曼光谱表征确定了样品的表面和体相组成,研究其光致发光性质并与其晶相组成相关联.发现,TiO2的发光行为与其晶相结构直接相关,特别是与其表面晶相结构存在密切关系.其中,500 nm的可见发光带与锐钛矿晶相相关,而835 nm的近红外发光带与金红石晶相相关.分析可见发光带强度随TiO2晶相组成的变化,发现TiO2粒子中存在少量金红石成分时,可见发光带强度不仅未猝灭,反而有一个明显的增强效应,同时,近红外发光峰的出现也存在一定的延后现象.这些结果表明锐钛矿/金红石异相结处存在金红石向锐钛矿的电荷转移过程.进一步,使用时间分辨发光光谱研究可见发光带和近红外发光带的衰减动力学,从而分析揭示锐钛矿/金红石相结对锐钛矿和金红石的载流子动力学的影响机制.对于可见发光带来说,锐钛矿/金红石异相结的存在使可见发光带的衰减速率在微秒时间尺度减慢,而在毫秒时间尺度反而衰减变快.在金红石为主要晶相的混相氧化钛中（如TiO2-800）,还观测到了一个新的约0.43ms的快衰减成分,表明锐钛矿向金红石的载流子转移过程.对于近红外发光带来说,与可见发光带类似,在微秒时间尺度的衰减也明显变慢,寿命可增长一倍以上,而在毫秒时间尺度的衰减速率没有明显变化.特别是,在锐钛矿/金红石异相结存在条件下,除长于40ms的微秒衰减成分外,基本所有混相TiO2样品都显示出-2ms的快衰减成分,且此快衰减成分的比例受样品晶相组成、制备方法等影响,可达到22%左右.这一快衰减成分的出现,证明了锐钛矿/金红石异相结处存在金红石向锐钛矿的载流子转移过程.我们通过发光光谱技术研究了锐钛矿/金红石异相结在电荷分离复合过程中的作用.研究发现,锐钛矿/金红石相结存在条件下,可见和近红外发光带都出现了一个新的快衰减成分,证明相结处存在快速的电荷分离过程.由于相结促进电荷分