新型光催化异质结:S型异质结

太阳能是最丰富的清洁和可再生能源,光催化技术在太阳能利用中具有很大潜力,这有赖于高效半导体光催化剂的设计制备.然而,单一光催化剂效率很低,主要是光生电子和空穴的强库伦吸引力导致它们快速复合.此外,单一光催化剂也很难同时具有宽光谱吸收和足够的氧化还原能力.为了解决这一问题,构建异质结光催化剂成为一种有效途径,因为它可以实现光生电子和空穴在空间上的有效分离.针对传统的Ⅱ型和Z型异质结在动力学和热力学方面的缺陷,2019年由武汉理工大学余家国教授团队提出梯形异质这一新型异质结概念.对于Ⅱ型异质结,热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.而Z型异质结系统主要包括传统、全固态和直接Z型异质结三种类型.对于前两种异质结,它们的界面电子转移存在理论问题.传统Z型异质结利用氧化还原电对,而电子受体和给体更容易从与其具有较大的电势差的半导体接受或给予电子.全固态Z型异质结利用导体,比如导电金属或碳材料,取代氧化还原电对,从而使其应用范围由液态扩展到固态.然而通过进一步分析,它的电荷传输也有漏洞.首先,界面的肖特基势垒抑制电荷持续传输,此外,全固态Z型异质结中的导体与传统Z型中氧化还原电对的作用如出一辙.因此,传统Z型的问题在这里也依旧存在.总的来说,Ⅱ型、传统和全固态Z型都面临相同的问题,就是光生电子和空穴拥有较弱的还原和氧化能力,而S型异质结则与它们截然不同.该异质结由氧化型和还原型光催化剂组成,内建电场、能带弯曲和库仑力三大作用促使氧化型的光生电子与还原型的光生空穴复合,同时阻止氧化型的光生空穴与还原型的光生电子转移.最终,电子和空穴分别具有高的还原和氧化能力.由于其优越性,S型异质结在各种光催化应用中引起了广泛的兴趣,包括产氢、二氧化碳还原、污染物降解和灭菌等领域.而S型异质结机理可以用X射线光电子能谱、电子顺磁共振和原子力显微镜进行表征.S型异质结崭露头角,未来发展可期.     

S. Wageh a,*, Ahmed A. Al‐Ghamdi a,Rashida Jafer a,Xin Li b,#, Peng Zhang c

太阳能是最丰富的清洁和可再生能源,光催化技术在太阳能利用中具有很大潜力,这有赖于高效半导体光催化剂的设计制备.然而,单一光催化剂效率很低,主要是光生电子和空穴的强库伦吸引力导致它们快速复合.此外,单一光催化剂也很难同时具有宽光谱吸收和足够的氧化还原能力.为了解决这一问题,构建异质结光催化剂成为一种有效途径,因为它可以实现光生电子和空穴在空间上的有效分离.针对传统的II型和Z型异质结在动力学和热力学方面的缺陷, 2019年由武汉理工大学余家国教授团队提出梯形异质这一新型异质结概念.对于II型异质结,热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.而Z型异质结系统主要包括传统、全固态和直接Z型异质结三种类型.对于前两种异质结,它们的界面电子转移存在理论问题.传统Z型异质结利用氧化还原电对,而电子受体和给体更容易从与其具有较大的电势差的半导体接受或给予电子.全固态Z型异质结利用导体,比如导电金属或碳材料,取代氧化还原电对,从而使其应用范围由液态扩展到固态.然而通过进一步分析,它的电荷传输也有漏洞.首先,界面的肖特基势垒抑制电荷持续传输,此外,全固态Z型异质结中的导体与传统Z型中氧化还原电对的作用如出一辙.因此,传统Z型的问题在这里也依旧存在.总的来说, II型、传统和全固态Z型都面临相同的问题,就是光生电子和空穴拥有较弱的还原和氧化能力,而S型异质结则与它们截然不同.该异质结由氧化型和还原型光催化剂组成,内建电场、能带弯曲和库仑力三大作用促使氧化型的光生电子与还原型的光生空穴复合,同时阻止氧化型的光生空穴与还原型的光生电子转移.最终,电子和空穴分别具有高的还原和氧化能力.由于其优越性, S型异质结在各种光催化应用中引起了广泛的兴趣,包括产氢、二氧化碳还原、污染物降解和灭菌等领域.而S型异质结机理可以用X射线光电子能谱、电子顺磁共振和原子力显微镜进行表征.S型异质结崭露头角,未来发展可期.     

石墨烯修饰三氧化钨/二氧化钛S型异质结增强的光催化产氢活性（英文）

太阳光驱动的光催化分解水产氢是利用太阳能解决当前能源危机和环境问题的理想策略.二氧化钛由于其稳定、环境友好和成本低等优点受到广泛研究,在光催化领域具有不可或缺的作用.然而,纯二氧化钛光催化剂具有光生电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等缺点,使其在光催化产氢领域的应用受到限制.迄今为止,人们探索了多种改性策略来提高二氧化钛的光催化活性,如贵金属负载、金属或非金属元素掺杂、构建异质结等.通过复合两个具有合适能带排布的半导体来构建异质结可以大大提高光生载流子的分离,被认为是一种有效的解决方案.最近提出了一种新的S型异质结概念,以解释不同半导体异质界面载流子转移分离的问题.S型异质结是在传统Ⅱ型和Z型(液相Z型、全固态Z型、间接Z型、直接Z型)基础上提出的,但又扬长避短,优于传统Ⅱ型和Z型.通常,S型异质结是由功函数较小、费米能级较高的还原型半导体光催化剂和功函数较大、费米能级较低的氧化型半导体光催化剂构建而成.三氧化钨禁带宽度较小(2.4-2.8 eV),功函数较大,是典型的氧化型光催化剂,也是构建S型异质结的理想半导体光催化剂.根据S型电荷转移机制,三氧化钨/二氧化钛复合物在光辐照下,三氧化钨导带上相对无用的电子与二氧化钛价带上相对无用的空穴复合,二氧化钛导带上还原能力较强的电子和三氧化钨价带上氧化能力较强的空穴得以保留,从而在异质界面上实现了氧化还原能力较强的光生电子-空穴对的分离.同时,石墨烯作为一种蜂窝状碳原子二维材料,是理想的电子受体,在异质结光催化剂中能及时转移电子.而且,石墨烯具有较好的导热性和电子迁移率,光吸收强,比表面积大,可为光催化反应提供丰富的吸附和活性位点,已经被认为是一种重要催化剂载体和光电分解水产氢的有效共催化剂.本文采用简便的一步水热法制备石墨烯修饰的三氧化钨/二氧化钛S型异质结光催化剂.光催化产氢性能测试表明,三氧化钨/二氧化钛/石墨烯复合材料的光催化产氢速率显著提高(245.8μmol g^-1 h^-1),约为纯TiO2的3.5倍.高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱结果证明了TiO2和WO3纳米颗粒的紧密接触,并成功负载在还原氧化石墨烯(rGO)上.X射线光电子能谱中Ti 2p结合能的增加证实TiO2和WO3之间强的相互作用和S型异质结的形成.此外,复合材料中的rGO大大拓展了复合物的光吸收范围(紫外-可见漫反射光谱),增强了光热转换效应,而且rGO与TiO2之间形成肖特基结,促进了TiO2导带电子的转移和分离.总之,WO3和TiO2的S型异质结与TiO2和rGO之间的肖特基异质结的协同效应抑制了相对有用的电子和空穴的复合,有利于氧化还原能力较强的载流子的分离和进一步转移,加速了表面产氢动力学,于是增强了三元复合光催化剂的光催化产氢活性.     

氧化锌基梯型异质结光催化剂（英文）

随着工业的快速发展和化石燃料的过度开发使用,能源危机和环境污染日益严重.光催化技术在能源与环境领域具有良好的应用前景,是人类社会可持续发展的有效策略之一.传统氧化锌(ZnO)光催化剂因其无毒性、良好生物相容性和低成本而备受关注.然而, ZnO光催化性能受限于光生载流子复合严重和光生电子还原能力弱等问题.常规的改性方法,包括原子掺杂、缺陷调控、助催化剂负载等,很难兼顾载流子分离效率和氧化还原能力.相较而言,构建梯型异质结可以较好地解决上述问题.梯型异质结界面处的内建电场可以促进光生载流子的高效分离和转移,同时保留光催化体系最强的氧化还原能力,从而实现更高效的光催化反应.然而,尽管已有大量关于ZnO基梯型异质结的研究工作被陆续发表,却很少有评论性文章对该领域进行综述.因此,有必要对ZnO基梯型光催化剂的研究成果进行总结,并为这一研究方向的发展提供及时的指导.本文首先介绍了异质结的发展历程,讨论了II型异质结、传统Z型体系、全固态Z型异质结的光催化反应机理,并在此基础上指出了它们在热力学上的挑战.其次,深入分析了梯型异质结的理论基础,包括还原型半导体和氧化型半导体的选择,相互接触后的电子转移...     

二氧化钛基Z型异质结光催化剂

二氧化钛(TiO_2)因廉价、无毒、化学性质稳定以及具有较强的光催化氧化还原能力,在光催化领域占据着重要的地位。然而,可见光利用率低以及光生电子-空穴对的快速复合是限制其应用的2个主要因素。二氧化钛基Z型异质结作为一种新型光催化剂,既改善了二氧化钛的2个缺陷,又表现出比TiO_2更强的氧化或还原能力。本文概括了TiO_2光催化剂、异质结光催化剂和TiO_2基Z型光催化剂的能带排列和电子传递原则,探讨了Z型异质结和type-Ⅱ异质结的异同点以及区分方法,并归纳总结了TiO_2基Z型异质结在光催化领域中的应用。     

ZnIn2S4纳米片与WO3纳米棒构建3D结构的S型异质结用于可见光光催化分解水产氢(英文)

氢气是一种清洁能源,利用太阳能进行光催化分解水产氢,因为节能和环保,吸引了国内外学者的广泛关注.但是,半导体光催化材料普遍存在可见光吸收范围窄和光生载流子易复合等问题,导致光催化效率不高.半导体耦合是拓展光吸收范围,并促进光生载流子空间分离的有效策略之一.能带相互交错的两种半导体复合,可以形成传统的Ⅱ型异质结,但是这种耦合方式削弱了光生电荷的氧化还原能力.相对传统Ⅱ型异质结光催化材料的不足,余家国教授提出了S型异质结的概念,它通常由两种n型半导体光催化剂组成,其中能带位置较高的为还原型光催化剂(RP),能带位置较低的是氧化型光催化剂(OP).形成S型异质结的关键是接触界面处存在由RP指向OP的内电场.受内建电场的驱动,S型异质结界面电子和空穴的流向与传统Ⅱ型光催化剂完全不同.由于保留了光生电子和空穴具有较强的还原和氧化能力,S型异质结在热力学上更有利于光催化氧化与还原反应.本文以硫代乙酰胺为硫源,采用低温溶剂热法(乙二醇中110℃反应2 h),在氧化型光催化剂(1D的WO₃纳米棒)表面原位生长还原型光催化剂(2D的ZnIn₂S₄     

金属硫化物基异质结光催化剂:原理、影响、应用和原位表征（英文）

金属硫化物的窄带隙使其具有吸收可见光和红外光的优势,因此可以用于开发高效的光催化剂.同时,金属硫化物具有出色的电荷分离、较强的光还原能力和低氧化还原能垒.然而,单一金属硫化物通常具有光吸收强度不高和电子-空穴快速复合的问题.在仅考虑光吸收范围时,应选择带隙较窄的光催化剂,但其氧化还原能力较低.此外,金属硫化物易发生光腐蚀.近年来,研究发现,在两种及以上光催化剂间构建异质结可以抑制单一催化剂载流子的复合,促使电子与空穴的分离;同时,异质结光催化剂也被证实可以提高光吸收和增加反应活性位点,是解决金属硫化物自身不足的重要措施.本文总结了金属硫化物用于光催化反应的优势和缺陷,讨论了构建异质结对单一金属硫化物的影响.不同的合成方法对于异质结光催化剂的形貌结构及性能具有重要影响,列举了一些金属硫化物异质结合成方法实例,例如水热合成法、离子交换法、静电纺丝法和原位光化学沉积法等.异质结光催化剂的种类可以根据电子转移机理分为肖特基结、type Ⅱ型、Z型和S型异质结等.随后,概述了金属硫化物异质结在环境和能源领域的应用,比较了不同类型金属硫化物异质结的光催化活性.充分利用光生电子和空穴分别驱动氧化和还...     

光降解刚果红的S型硫掺杂g-C3N4/TiO2异质结光催化剂

含有机物工业废水的处理仍然是人类实现可持续发展的重大挑战.而光催化作为一种先进的氧化环保技术,以其反应条件温和、能耗相对较低的优点在有机废水处理中受到越来越多的关注.近年来,人们设计和合成了许多不同结构和形状的光催化剂.特别是金属氧化物半导体以其适宜的能带结构、稳定的物化性质、无毒性等特点已成为光催化降解有机废水的研究热点.此外,一维纳米结构(1D)已被证实有利于光催化降解过程,其优势在于比表面积大,离子的迁移路径短,以及独特的一维电子转移轨道.尤其是TiO2纳米纤维由于其亲水性、特殊的形貌和合适的能带位置,在污染物水溶液的处理中表现出优异的光催化性能.然而,TiO2(～3.2 eV)的宽禁带、光生载流子的易复合等缺陷导致其光利用率较低,限制了其实际应用.因此,人们提出了许多提高光催化活性的策略,如掺杂金属或非金属元素、负载贵金属、构建异质结等.构建梯形(S型)异质结已被证实是提高复合材料光催化活性的一种有前途的策略.S型异质结不仅能有效地分离光生电子和空穴,而且还原能力低的半导体CB上的电子和氧化能力低的半导体VB上的空穴复合,而氧化还原能力较强的空穴和电子分别被保留.因此,这一电子转移过程赋予了复合物最大的氧化还原能力.同时,在g-C3N4中引入硫元素可以拓宽其光吸收范围,从而产生更多的光生载流子.此外,额外的表面杂质将有助于e?-h+对的分离,其光催化活性明显高于单纯的g-C3N4.综合一维纳米结构、硫掺杂和S型异质结的优势,本文采用静电纺丝和煅烧法制备了一系列硫掺杂的g-C3N4(SCN)/TiO2 S型光催化剂.制备的SCN/TiO2复合材料在光催化降解刚果红(CR)水溶液中表现出比纯TiO2和SCN更优越的光催化性能.光催化活性的显著增强是由于一维分布的纳米结构和S型异质结.此外,XPS分析和DFT计算表明,电子从SCN通过SCN/TiO2复合材料的界面转移到TiO2.在模拟太阳光照射下,界面内建电场、带边缘弯曲和库仑相互作用协同促进了复合物相对无用的电子和空穴的复合.因此,剩余的电子和空穴具有较高的还原性和氧化性,使复合材料具有最高的氧化还原能力.这些结果通过自由基捕获实验、ESR实验和XPS原位分析得到了充分的验证,说明光催化剂中的电子迁移遵循S型异质结机理.本文不仅可以丰富了新型S型异质结光催化剂的设计和制备方面的知识,并为未来解决环境污染问题提供一个有前景的策略.     

盐酸介导策略合成的具有优异光催化能力的ZnFe2O4小颗粒点缀一维苝二酰亚胺S型异质结

由于有机材料的结构多样性,越来越多的研究者选择有机材料作为光催化剂.典型的n型有机半导体花二酰亚胺(PDI)不仅在可见光照射下有较强的光响应能力,而且有合适的带隙和负导带,使得光激发电子具有较强的还原能力.半导体光催化剂的适用性受到光生载流子复合的限制,而构建S型异质结可有效保证电荷分离,也可保证空穴和电子的强氧化能力...     

用于改进H2O2制备的1D/0D异质结的ZnIn2S4@ZnO S型光催化剂(英文)

过氧化氢作为一种绿色氧化剂,被广泛应用于食品工业、有机合成、医疗消毒和污水处理等领域.目前,大多数用于工业生产的过氧化氢是通过蒽醌法制备.传统的蒽醌法能耗高、有机副产物多、环境污染严重,因此,利用清洁的太阳能进行半导体光催化生产过氧化氢备受关注.其中,ZnO半导体因其高稳定性、无毒性、良好的生物相容性和合适的导带位置而成为一种潜在的过氧化氢生产材料.然而,单一的ZnO在光催化生产过氧化氢中面临着许多问题,如载流子分离效率低、可见光吸收弱等,从而导致其较低的光催化性能.因此,多种策略被用于解决上述问题,如掺杂非贵金属元素、晶面调控和异质结构构建等.在这些改性策略中,异质结构建被认为是提高光催化性能最有效的方法之一,特别是S型异质结因其较好的氧化还原能力和电子转移特性而备受关注.S型异质结通常由一个氧化型光催化剂和一个还原型光催化剂组成,在两者的接触界面上形成内建电场,促使无用的载流子复合,从而保留更多具有强氧化还原能力的空穴和电子,以此提高异质结光催化性能.ZnIn₂S₄具有合适的带隙和高导带位置,可以作为还原型光催化剂与ZnO构建S型异质结,...     

Planar pn heterojunction organic light-emitting diodes

正Organic light-emitting diodes(OLEDs)are being increasingly applied in flat-panel displays,such as television and mobile phones,and have great potential to become next generation solid-state lighting sources.Along with the     

Parallel-like bulk heterojunction polymer solar cells

Here we demonstrate a conceptually new approach, the parallel-like bulk heterojunction (PBHJ), which maintains the simple device configuration and low-cost processing of single-junction BHJ cells while inheriting the major benefit of incorporating multiple polymers in tandem cells. In this PBHJ, free charge carriers travel through their corresponding donor-polymer-linked channels and fullerene-enriched domain to the electrodes, equivalent to a parallel-like connection. The short-circuit current (J(sc)) of the PBHJ solar cell is nearly identical to the sum of those of the individual "subcells", while the open-circuit voltage (V(oc)) is between those of the "subcells". Preliminary optimization of the PBHJ devices gives improvements of up to 40% in J(sc) and 30% in overall efficiency (η) in comparison with single-junction BHJ devices.     

异质结光催化材料的新进展

伴随着人类文明的快速发展,一些危机慢慢显露出来,例如能源危机、环境污染和全球变暖.2019年5月11日,Mauna Loa天文台报告,大气中的二氧化碳水平超过415 ppm,达到人类历史上的最高记录,欧盟随后于2019年11月宣布了气候紧急状态.因此,绿色能源技术已成为迫切需求,以减少化石燃料的使用,并减少污染物的产生.光催化是直接利用太阳能的技术,可以应用于水分解产氢、CO₂还原、降解有机污染物、促进有机物合成等,是解决能源和环境问题的最有前途的技术之一.光催化剂是光催化技术的核心.目前,许多半导体材料可作为光催化剂,并已被充分地研究,例如TiO₂、CdS、ZnO、BiVO₄和C₃N₄等.然而,单一的半导体材料具有一些缺点,阻碍了它们的实际应用.其中,限制这些半导体材料光催化活性的一个关键问题是,光生电子–空穴对容易快速复合而不是参与光催化反应.例如,ZnO中激子的寿命估计仅为数百皮秒,大多数激子来不及参与到氧化还原反应中.为了抑制电子-空穴对的复合,需要应用特殊的策略.构建异质结光催化材料已成为最有前途的方法之一.通常,可以根据相邻材料的能带结构,将异质结分为以下几种类型:PN型异质结,Ⅱ型异质结,Schottky型异质结和S型异质结.以上异质结大都是由两种半导体材料复合而形成的.除此之外,还可以根据形成异质结的特殊材料,补充两种特殊的异质结类型,即晶面异质结和石墨烯基异质结.晶面异质结是由同一材料,由于暴露不同的晶面而形成的.石墨烯具有独特的能带结构、极大的比表面积及优良的导电性,可以与其他半导体形成各种类型的异质结.这些异质结材料能有效抑制电子-空穴对的复合,从而提高材料整体的光催化活性,也已成为光催化剂家族的重要分支.本文详细介绍了以上各种类型的异质结光催化剂的最新进展,概述了实现高性能异质结光催化剂的基本策略,并对异质结光催化剂未来发展方向进行了一些探讨.     

Charge transfer mechanism in hybrid bulk heterojunction composites

Charge transfer mechanisms of several conducting polymers and polymer/CdSe nanocrystal composites (hybrid bulk heterojunction composites) were investigated by means of cyclic voltammetry. Potential application of these composites in hybrid light-emitting diodes was discussed. It was found that charge transfer is observed in most of the composites, used so far, but was relatively slow or incomplete. The PVPy/CdSe nanocrystal composite showed promising results, and is favorable for use in electroluminescent devices.     

Charge transfer efficiency in hybrid bulk heterojunction composites

On the basis of recently published electrochemical measurements, the charge transfer efficiency within CdSe nanocrystal/conducting polymer heterojunction composites was investigated by means of luminescence interaction strength. It was found that poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] and poly-9-vinylcarbazole luminescence was not totally quenched by nanocrystals, whereas poly-3-octylthiophene and polyvinylpyrrolidone was completely quenched. In case of poly-3-hexylthiophene, the nanocrystal luminescence was quenched. The results are in complete agreement with the electrochemical findings and thus, the CdSe nanocrystal/Polyvinylpyrrolidone composite should be a promising material for electroluminescent devices.     

Electrodeposited polyaniline/Cu2ZnSnSe4 heterojunction

Journal of Solid State Electrochemistry - One-step method for the electrodeposition of thin Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) film onto a polyaniline/FTO/glass substrate was developed. Polyaniline film was...     

Time-resolved structural evolution of additive-processed bulk heterojunction solar cells

Solution deposition using high-boiling-point additives such as octanedithiol (ODT) provides a simple and widely used fabrication option for improving the power conversion efficiencies of solar cells composed of narrow-band-gap conjugated polymer donor/fullerene acceptor blends. Previous examination of the resulting device active layers has shown that the use of additives influences the degree of phase segregation within the bulk heterojunction (BHJ) blend and also improves ordering within the polymeric domains. In this work, in situ grazing-incidence wide-angle X-ray scattering as a function of time was used to explore the dynamics of the BHJ evolution. These studies showed that a small percentage of ODT in chlorobenzene (CB) induced the nucleation of polymeric crystallites within 2 min of deposition, increased the orientational order of specific polymorphs, and promoted further crystallite nucleation over a period longer than 40 min after casting. Similar structural changes did not occur when the same BHJ blend was cast from pure CB.     

Significance of miscibility in multidonor bulk heterojunction solar cells

Ternary organic blends have potential in realizing efficient bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells by harvesting a larger portion of the solar spectrum than binary blends. Several challenging requirements, based on the electronic structure of the components of the ternary blend and their nanoscale morphology, need to be met in order to achieve high power conversion efficiency in ternary BHJs. The properties of a model ternary system comprising two donor polymers, poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and a furan-containing, diketopyrrolopyrrole-thiophene low-bandgap polymer (PDPP2FT), with a fullerene acceptor, PC₆₁BM, were examined. The relative miscibility of PC₆₁BM with P3HT and PDPP2FT was examined using diffusion with dynamic secondary ion mass spectrometry (dynamic SIMS) measurements. Grazing incidence small and wide angle X-ray scattering analysis (GISAXS and GIWAXS) were used to study the morphology of the ternary blends. These measurements, along with optoelectronic characterization of ternary blend solar cells, indicate that the miscibility of the fullerene acceptor and donor polymers is a critical factor in the performance in a ternary cell. A guideline that the miscibility of the fullerene in the two polymers should be matched is proposed and further substantiated by examination of known well-performing ternary blends. The ternary blending of semiconducting components can improve the power conversion efficiency of bulk heterojunction organic photovoltaics. The blending of P3HT and PDPP2FT with PC₆₁BM leads to good absorptive coverage of the incident solar spectrum and cascading transport energy levels. The performance of this ternary blend reveals the impact of the miscibility of PC₆₁BM in each polymer as a function of composition, highlighting an important factor for optimization of ternary BHJs. © 2015 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2016, 54, 237–246