熒光技術在光生電荷分離分析中的應用

張旭良 陳雙影 郭福水 郝連濤

摘?要：電荷分離效率的優劣是評價光催化材料性能的決定性因素之一，而對于提高太陽能轉化效率和開發新型光催化劑來說，電荷分離性質的精確分析尤其關鍵。本文深入探討了電荷分離性質這一核心問題，并強調了對該性質進行系統分析的必要性。通過結合理論與實際案例，詳細闡釋了熒光光譜學的技術原理及其在表征光生電荷動態分離與遷移過程中的應用價值。本文所提供的內容期望能為光催化領域的研究者提供寶貴的理論基礎和實驗方法，從而幫助他們在開發和改進光催化材料方面做出更有意義的科研貢獻。

關鍵詞：光催化；電荷分離；熒光光譜

1?光催化技術

助力清潔能源與可再生能源的進步是我們迎接全球能源日益擴張的需求和緩解化石燃料過度開采所造成環境影響的核心戰略［1］。在所有可能的解決途徑中，光催化技術因其獨有的優勢而顯得尤為突出［2］。該技術讓我們得以通過半導體光催化劑為中介，借助陽光來推進催化反應，將豐富的太陽能源轉換為化學能，從而為能源領域帶來了革命性的轉變，光催化劑的研發因此成為科研界的焦點。經過幾十年的堅持不懈，科學家們致力于增強光催化劑的反應活性、穩定性和對光能的轉換效率，力求在解決全球能源短缺與防治環境污染的問題上取得重大突破。

1.1?光催化原理

光催化反應機制可通過圖1進行直觀解釋：當光催化劑吸收了足以激發電子從價帶躍遷至導帶的光子，它便在價帶產生了對應的空穴。這些電子和空穴在向半導體的表面遷移過程中，可能會有一部分在體內重新結合。當電子和空穴到達表面后，它們也有一定概率會發生復合，而未發生復合的電子和空穴則在表面參與一系列的化學反應——電子引發還原反應，而空穴則觸發氧化反應。從這一過程中我們可以看出，光催化劑的效率主要受到以下三個關鍵因素的影響：（1）光生載流子（電子和空穴）的產生效率：主要取決于光催化劑對入射光子的吸收能力以及激發出的載流子的數量。（2）載流子的分離效率：主要取決于電子和空穴在遷移過程中，它們在體相和表面的復合可能性。（3）表面反應效率：主要取決于電子和空穴在到達催化劑表面后，它們參與催化還原和氧化反應的能力。

因此，設計基于半導體的光催化系統必須考慮以下要求：（1）光催化體系需要具有合適的能帶結構，以確保良好的光吸收性能。（2）實現有效的電荷分離和快速的電荷傳輸，同時避免體電荷和表面電荷的重組，這是將光生電荷攜帶遷移到表面反應位點的關鍵要求。（3）光生電子和空穴的能量應足夠以引發所需的還原和氧化反應。

1.2?改善光催化劑性能策略

為了實現上述目標，科學家們一直在不懈努力地致力于研發具備合適能帶結構、特定體相屬性和優化表面特征的光催化體系。傳統的光催化劑主要采用半導體材料，如二氧化鈦、氧化鐵、石墨相氮化碳、溴氧化鉍等。根據能量帶隙的大小，這些材料可以分為寬帶隙和窄帶隙半導體兩大類別。在選擇光催化劑時，寬帶隙半導體由于其有限的光吸收范圍而在實際應用中受到一定限制。鑒于太陽光中紫外光的占比較小，而可見光的占比較大，因此選擇具有可見光吸收能力的窄帶隙半導體作為光催化劑具有更好的應用前景。然而，窄帶隙半導體面臨的挑戰在于光激發電子和空穴的復合傾向，這會降低電荷分離效率。為了克服這一問題，科學家們采取了多種策略來改善催化劑的性能，如體相摻雜、表面修飾和與其他物質形成復合結構等策略。對應前面提到的三點要求，一般可分為以下三個方面：

（1）通過調控材料的結構和組成，以提高產生光生載流子的效率。

（2）通過表面修飾和界面工程等方法，提高電荷分離和傳輸效率，從而減少載流子復合而產生的效率損失。

（3）通過研究如何調控光生電子和空穴所處的能帶位置，以確保其具備足夠的能量來促進所需的反應發生。

Xie等人［3］通過水熱法成功合成了納米尺度的釩酸鉍和氧化鋅材料，并進一步采用濕化學方法制備了不同摩爾比的氧化鋅和釩酸鉍的復合體材料。通過穩態表面光電壓技術和瞬態表面光電壓技術，這些納米復合材料被證實擁有比單獨的釩酸鉍更長的載流子壽命和更高的電荷分離效率。根據超低溫電子順磁共振和光電流作用譜的測試結果證明，這種性能增強主要歸因于在可見光激發下，高能級電子從釩酸鉍轉移到氧化鋅的有效空間分離，從而延長了光生電荷的壽命并提高了載流子分離效率。

在Wang等人［4］的研究中，他們采用了一種模板吸附和煅燒技術，成功制備了BiFeO3/Bi2Fe4O9異質結空心納米球。通過開爾文探針法和光電化學方法的驗證，該設計的納米結構展現了一種S型的電荷轉移機制。與單一組分的BiFeO3和Bi2Fe4O9納米粒子相比，優化后的異質結構樣品在可見光激發下的光催化活性分別提高了7.7倍和10.7倍。根據氣氛調控表面光電壓測試、瞬態表面光電壓測試、電子順磁共振檢測、理論計算和原位傅里葉變換紅外光譜的結果，光催化活性提升主要歸因于：首先，空心納米球的獨特結構提供了更好的光吸收性質；其次，通過FeO鍵形成的S型電荷轉移機制，有效地促進了電荷載流子的分離；最后，異質結構的選擇性吸附特性有助于優先去除目標污染物中的氯離子。

Wang等人的研究［5］展示了通過簡便的離子交換，成功將單原子鎳固定在石墨相氮化碳納米片上的新穎方法。這一過程中，在石墨相氮化碳表面的硼原子與sp2氮原子之間的協同作用下，確保了硼氧基團的均勻分布，從而有利于氧原子與鎳（Ⅱ）中心形成特殊的六氧配位構型。該材料在二氧化碳轉化方面具有巨大的潛力。為了探究機制，采用準原位X射線光電子能譜、瞬態吸收光譜、同位素標記以及原位傅里葉變換紅外光譜等多種表征技術。這些技術集中揭示了在光照條件下，六氧配位的單鎳（Ⅱ）位點能夠沿著硼氧橋高效地捕獲和傳遞石墨相氮化碳的光生電子。此外，這一位點還能高效激活吸附的水分子，生成活潑的氫原子，并通過氫輔助途徑促進了二氧化碳的還原過程。

Chu等人［6］開展的研究主要集中在通過原位熱縮聚法制備石墨相氮化碳與活性炭纖維的復合體光催化劑上。這種新型光催化劑對2，4二氯苯酚和雙酚A的降解表現出了高效的催化性能，這得益于活性炭纖維在提升電荷分離效率和催化劑對反應物的吸附能力方面的協同增強作用。研究中還發現，鎳調控的石墨相氮化碳/活性炭纖維光催化劑之所以表現出色，主要得益于界面接觸的優化，這不僅促進了電荷的有效轉移和分離，還因為鎳物種在氧氣活化過程中的催化作用。這一點通過與羥基自由基生成量相關的熒光光譜和電化學氧還原實驗得到了證實。

2?電荷分離檢測技術方法

在光催化領域，探究和優化電荷分離特性是至關重要的，為此，采用各種先進的技術手段進行檢測和分析是科研進程中的重要基礎之一。這些技術包括穩態熒光光譜、瞬態熒光光譜、瞬態吸收光譜、表面光電壓譜以及光電化學測量等。在這些技術中，熒光光譜技術以其高效和直觀的特點，成為一個廣泛應用且極具說服力的工具。具體來說，對于直接帶隙的半導體材料，熒光過程可以直接觀測。首先，半導體在吸收具有足夠能量的光子之后，價帶上的電子會躍遷至導帶上方的能級并在價帶上留下空穴，并迅速回落至導帶底的能級上，處于導帶底的部分光電子在很短的時間內會回落至價帶頂并與其上的空穴進行復合，而多余的能量會以光子的形式釋放出來，釋放出來的光稱為熒光，而該過程就是直接帶隙半導體熒光的過程。如圖2所示：

一般利用熒光技術來表征電荷分離的方式主要分為以下三種：

（1）通過穩態熒光光譜來觀察熒光強度的變化，進而對材料改性前后的電荷分離性質進行對比；

（2）通過瞬態熒光光譜來觀察熒光壽命的變化，進而對改性前后的電荷分離性質進行對比；

（3）通過熒光技術作為表征手段，利用一些自由基捕獲劑在捕獲自由基后轉化為具有特殊熒光性質的物質這一特性，通過化學的角度來對電荷分離進行表征。

3?熒光光譜儀的應用

Zhang等人［7］采用三聚氰酸與三聚氰胺預組裝的方法制備了大表面積石墨相氮化碳材料，該材料具有較好的光催化二氧化碳轉化活性。在其合成過程中，還可控地引入鈷元素進行修飾，以提升石墨相氮化碳的光催化性能。鈷的加入主要通過增強空穴的捕獲及水氧化催化的能力來實現對光催化性能的提升。隨后，通過在石墨相氮化碳上修飾鎳，光活性得到了更進一步的提升。這主要歸因于鎳的電子捕獲能力和對二氧化碳還原反應的催化作用。研究表明，空穴和電子在提高光催化性能方面具有協同效應，這說明兩種金屬修飾劑同時使用可以優化光生載流子的生成與分離，進而更有效地進行光催化二氧化碳轉化。在該研究中，采用了穩態熒光光譜、瞬態熒光壽命測試以及羥基自由基相關的熒光測試驗證了鈷和鎳的引入對光生電荷分離的促進作用以及對光生載流子壽命的延長，并通過與瞬態表面光電壓測試、光電化學測試等手段的結果進行比對印證，證明了結果的準確性。

在Zhang等人的研究中［8］，他們首先采用了煅燒尿素的方法來制備石墨相氮化碳納米片。接下來，他們使用濕化學法將銳鈦礦相的二氧化鈦與石墨相氮化碳復合來對其進行改性。進一步地，研究者們通過光沉積技術在納米片上沉積貴金屬，從而對催化劑進行了進一步的修飾和優化。實驗結果表明，通過這種多步驟改性過程所得到的石墨相氮化碳基催化劑，在可見光的照射下展現出了顯著的析氫能力。實驗結果表明：光催化活性提高主要歸因于電荷壽命的延長和催化析氫過程的相互促進效應。此外，通過D2O同位素標記法進行的光催化二氧化碳轉化實驗揭示出，催化反應過程中產生的氫氣主要源自于吸附在催化劑表面的水分子，而非甲醇分解產生的氫離子。在該研究中，采用穩態及瞬態熒光光譜技術，以及羥基自由基關聯的熒光測試對其光生電荷分離性質進行了分析，并與穩態及瞬態表面光電壓測試等結果進行了相互印證。

結語

在光催化領域，電荷分離性質是光催化劑極為重要的一種屬性，對其進行分析和研究對于開發高活性光催化劑來說是具有重要理論和實際意義的。本文對熒光光譜技術在光生電荷分離性質檢驗方面的重要性及應用方法進行了總結和舉例，期望能夠為從事光催化方向的科研工作者的研究工作提供一定的參考和提示。

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項目：國家自然科學基金（22002074）

作者簡介：張旭良（1990—?），男，漢族，山東淄博人，博士研究生，實驗師，研究方向：化學。