山东大学 Nano Energy：金属-半导体/核-壳结构中电磁感应原位产生的微电势增强电荷分离实现高性能光催化

【引言】

光催化作为一种可持续发展的方法，在实现太阳能向化学能的有效转化方面具有巨大潜力，实现高效的光催化性能仍然是光催化研究的重要方向。针对半导体光催化剂光生载流子有效分离的研究，目前主要通过构建异质结构与施加外场这两种途径。然而对于具有高光催化活性的粉体光催化剂，除了构建异质结构的方法外，光生载流子的分离不能通过与外部电路的连接以施加电场的方式来实现。因此如何无接触的对粉体光催化剂施加电场，促进粉体光催化剂光生载流子的高效分离，仍然面临着巨大的挑战。

【成果简介】

有鉴于此，山东大学晶体材料国家重点实验室桑元华副教授（通讯作者）和刘宏教授（通讯作者）提出了一种通过构建纳米复合结构实现光催化材料伴随式电场促进光生载流子分离的策略。利用电磁感应驱动的以金属为核的金属-半导体/核-壳纳米复合结构的微电势来增强半导体光催化剂中的电荷分离。将外加磁场施加在常规的光催化反应器装置下，实现了光催化裂解水产氢效率近110% 提高。金属-半导体/核-壳纳米复合结构产生的电磁感应驱动的伴随电场体现了在磁场作用下的相对运动到电势的高效转换，这为无接触施加电场作用下提高光催化性能提供了新的策略。相关成果以题为“Electromagnetic induction derived micro-electric potential in metal-semiconductor core-shell hybrid nanostructure enhancing charge separation for high performance photocatalysis” 发表在国际著名期刊Nano Energy上。山东大学硕博连读博士生高文强为本文的第一作者。

【图文导读】

Figure 1. Au 纳米棒 (NR)-CdS 纳米颗粒 (NP) 核-壳纳米复合结构的形貌与结构表征

 (a) Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构的XRD数据；(b) 高分辨CdS纳米颗粒和Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构的XPS数据； (c) 高分辨Au NR和Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构的XPS数据； (d) CdS NP, Au NR和Au NR-CdS NP 紫外可见吸收光谱； (e-f) Au NR TEM图像 (g-h) 高分辨Au NR-CdS NP核-壳结构TEM和FFT图像；(i) Au NR-CdS NP EDS 元素分布图像。

Figure 2. Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构在磁场作用下光催化分解水产氢性能对比：

(a)在磁场下光催化分解水产氢装置示意图；(b)不同材料样品有无磁场下光催化分解水产氢性能的对比； (c)Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构在不同磁场强度； (d) 不同光强下光催化分解水产氢性能的对比。

Figure 3. 在磁场作用下电磁感应驱动Au NR产生微电场的电化学测试：

(a) Au NR在有磁场无光照作用下的电流密度；(b) 180s-200s； (c) Au NR在有磁场无光照作用下的感应电势； (d) 180s-200s; (e) Au NR的感应电动势在磁场作用下产生的示意图和通过COMSOL模拟了Au NR表面感应电动势在磁场作用下的分布。

Figure 4. 在磁场作用下Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构的电化学测试：

(a) 在磁场作用下下Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构的电化学测试装置示意图；(b) 在光照条件下，磁场作用下Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构促进光生载流子分离示意图； (c) Au NR-CdS NP 核-壳纳米复合结构的Mott-Schottky测试； (d) 在磁场作用下Au NR-CdS NP 核-壳纳米复合结构的光电流测试。

Figure 5. 在磁场作用下等效电场对Au NR-CdS NP核-壳纳米复合结构的第一性原理计算结果与纳米结构实现光催化材料伴随式电场促进光生载流子分离示意图：

(a) CdS结构示意图。在磁场作用下等效的外加电场在不同方向上施加前后的电子态密度差与CdS的结合键距离 (b) 无施加电场；(c) 沿CdS a轴方向和(d) 沿c轴方向施加外加电场；(e) 由于在磁场作用下的电磁感应，CdS纳米颗粒中的光生电子和空穴分别附着在具有相反极化电荷的Au NR表面的作用示意图; (f) 金属-半导体/核-壳纳米复合结构在磁场作用下纳米结构实现光催化材料伴随式电场促进光生载流子分离原理图。

【小结】

利用金属-半导体/核-壳纳米复合结构，证明了外加磁场对提高光催化分解水产氢的显著作用。这种增强是通过磁场作用下的电磁感应在Au NR为核产生的微电势，Au NR作为该复合结构的伴随式外部电场，驱动CdS光生载流子向相反的方向移动，从而促进了光生载流子的高效分离。这种复合纳米结构为粉末光催化剂上无接触施加电场提供了一种有效的途径，从而提高了其光催化性能。通过合理的设计金属-半导体纳米复合结构，很多光催化剂可以实现在磁场作用下显著提高光催化性能的目的。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104624

【作者简介】

桑元华，山东大学晶体材料研究所副教授，博士生导师。主要从事纳米能源转化材料的研究、铌酸锂晶体生长及应用研究、以及生物组织工程材料及干细胞分化相关的研究。作为项目负责人承担了包括重点研发专项-政府间科技合作项目、山东省杰出青年基金、山东省重大创新工程项目、青年自然基金项目和博士后项目等，作为第一作者或者通讯作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., 等国际重要学术期刊上发表30余篇，其他合作文章60篇，EIS高被引论文11篇，个人H因子达34，获得发明专利授权16项。

刘宏，教授，博士生导师，2009年获得国家杰出青年科学基金。主要研究方向为纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、人工晶体材料等。近十年来承担了包括863、973、自然基金重大项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004年至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章200余篇，通讯作者164篇。其中，影响因子大于10的近30篇，个人文章总被引次数超过10050次，H因子为59，17篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）选为 “过去十年高被引用论文” (Highly Cited Papers (last 10 years)), 文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015年度进入英国皇家化学会期刊前百分之一高被引中国作者榜单，2018、2019年科睿唯安全球高被引作者。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Engergy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。