马德琨课题组在利用光子晶体结构提升材料光电催化性能研究方面取得系列进展

发布日期：2021-12-31 点击次数：

光子晶体具有周期性的介电组成结构，可以有效地控制入射光，表现出独特的反射光、捕获光以及减慢光特性。合理设计光子晶体结构能够增强材料的光催化与光电催化活性。

光子晶体结构薄膜在光电化学电池（PEC）上的应用主要有两种形式：1) 光吸收剂被直接制成光子晶体结构；2) 将材料生长或附着在光子晶体表面来改善其PEC活性。然而，为了获得光子晶体结构薄膜材料，模板的使用往往必不可少。而将材料生长或附着在光子晶体表面，则需要考虑光吸收材料和光子晶体薄膜之间电子结构的匹配程度。考虑到上述不足，该课题组与广东工业大学黄少铭教授及其团队成员杨东朋副教授，苏州科技大学杨晓刚教授合作，通过胶体自组装制备了一种由二氧化硅纳米颗粒和ETPTA树脂组成的光子晶体薄膜。进一步将该光子晶体薄膜以非接触的方式粘附在α-Fe2O3/ FTO光电极的背面（不与α-Fe2O3光吸收层和FTO导电层接触），构筑成光电阳极。研究结果显示，非接触光子晶体薄膜的存在不仅增强了α-Fe2O3光电阳极的光电流密度而且降低了其起始电位。研究结果表明，非接触式的光子晶体薄膜反射器改善了α-Fe2O3的光吸收，促进了光生载流子的有效分离。利用非接触式光子晶体薄膜增强材料光电化学性能的研究思路将为设计用于太阳能转换的高效光电极打开新的大门。相关研究结果以封面论文形式发表在Phys. Chem. Chem. Phys., 2020, 22, 20202--20211上并入选了该期刊的Hot Paper。

此外，考虑到常规结构C3N4光催化剂存在比表面积较小以及光能利用率较低等不足，该课题组和温州大学徐全龙博士、郑州大学范佳杰副教授合作，以紧密堆积的SiO2作为模板，构筑了具有反蛋白石（IO）光子晶体结构的g-C3N4。由于该结构存在丰富的中孔和大孔，具有高比表面积所赋予的更多的活性边界和催化中心，增强了光利用率，改善了光生电荷的分离。结果，反蛋白石结构的IO g-C3N4展现出优越的光催化性能。光催化产氢速率(21.22 μmol·h−1)约为体相g-C3N4 (3.65 μmol·h−1)的六倍。这项工作为结构设计和光催化性能调制做出了重要参考。相关研究结果发表在Acta Phys. -Chim. Sin., 2021, 37 (6), 2009080上。

最近，该课题组和温州大学徐全龙博士、郑州大学范佳杰副教授合作，在前期光子晶体结构光催化剂研究的基础上，综述了蛋白石与反蛋白石结构光子晶体光催化剂的研究进展。主要内容包括：介绍了光子晶体的光学特征，归纳了光子晶体的构筑策略，概括了光子晶体光催化剂在光催化产氢，污染物降解，以及还原CO2等方面的应用，展望了该类材料的研究难点与前景。相关研究结果发表在Solar RRL, 2021, 5, 2000541上。