[发明专利]光催化材料是否存在累积电荷影响光催化效率的检测方法

说明书

本发明提供了一种光催化材料是否存在累积电荷影响光催化效率的检测方法，通过在半导体纳米材料中引入额外电荷形成三体(Trion)的方法，实现对以CdSe QDs为种子生长特定长度的CdS纳米棒，并且在棒的一段生长金属Pt颗粒的点‑棒(Dot‑in‑rod，DIR)纳米异质结体系中引入累积电荷的方法，进而解析该异质结体系中限制其最终电荷注入效率的本质因素，为基于半导体材料的光催化反应存在效率瓶颈背后根本的原因提供直接的探测和验证。

技术领域

本发明专利属于半导体纳米复合材料光催化体系的探测和设计技术领域，尤其涉及一种在纳米材料体系中引入额外电荷形成三体状态(激子结合一个额外电荷)的方法。

背景技术

众所周知，从太阳能到燃料的转换过程(如水分解、CO₂还原、固氮等)涉及的通常都是多电荷光催化反应。在这些反应中，纳米捕光材料需要连续吸收多个太阳光子，并且每个光子被吸收后都能驱动从捕光材料到催化剂的有效电荷分离。尽管这些纳米功能材料体系的光催化效率获得逐步提高，但大部分工作报道的催化效率仍停留在～10％的量级。那是因为，在这些真实的多电荷光催化反应中，捕光材料到催化剂的电荷分离是逐步进行的，而在这种逐步电荷分离的过程中，由于电子与空穴转移速率的欠匹配(电子转移速率往往要快于空穴转移)以及催化剂转化速率较慢，不可避免的会在光捕获剂和催化材料上出现积累电荷，而这些累积电荷相关的中间体会带来各种电荷复合途径，大大降低总体电荷分离效率，最终可能会成为限制功能纳米材料光催化效率的瓶颈。需要指出的是，受研究体系和研究手段的限制，之前上述体系中的超快检测探测的都只是第一步电子转移动力学，且以往文献中报道的超快光谱研究通常也只是关注吸收一个光子后的单步电荷分离，且这些工作报道的电荷分离效率通常都很高(甚至接近100％)，这与整个多电子光催化反应的效率只有10％的量级之间存在巨大的差异。

目前基于半导体材料的光伏器件和重要的光催化反应中都存在较严重的效率瓶颈，由于半导体材料中的累积电荷因带电三体的俄歇效应而成为了可能的限制效率的关键因素，该引入额外电荷的方法和检测手段就为上述猜想提供了验证渠道，从本质上可以帮助科研工作者认清限制效率的关键所在。

鉴于上述动力学过程的复杂性，设计超快光谱实验来检测光催化体系中包含的两步电荷转移(包括第一步和第二步电子转移)的电荷分离和复合动力学过程是十分必要的，同时也能清晰给出之前真实光催化体系中困扰已久且极其有趣的科学问题，即发生电荷转移后，研究体系中存在的三体对后续第二步电荷转移动力学的影响。

发明内容

因此，本发明发展了一种三脉冲泵浦-泵浦-探测(pump-pump-probe)技术来实现半导体纳米材料-电荷受体复合体系中额外电荷的引入，如附图1所示。即一束泵浦脉冲激发半导体材料并触发该体系到电荷受体分子快速的电荷转移(ET1)，此时电荷受体中已有一个带电电荷；在发生电荷复合前，第二束泵浦脉冲再次激发半导体材料，即可探测真实复合体系中发生电荷转移后，纳米材料中存在的三体和电荷受体分子上第一个电荷的库仑排斥力对后续第二步电荷转移和电荷复合动力学的影响(ET2)。这样，就可以获取影响后续电荷转移效率的关键动力学信息及其限制因素，进一步指导高效多电荷光催化体系的设计和优化。

本发明的目的在于，提供一种在纳米材料-电荷受体分子复合材料体系中引入额外电荷形成三体的方法，以解决上述存在的多电荷光催化反应体系中不可避免存在的三体状态对后续电荷提取效率的影响等未曾涉及的科学问题。

一种通过泵浦-泵浦-探测检测手段实现纳米材料中引入额外电荷的方法，其需要选择合适的纳米半导体-电荷受体复合纳米材料体系，要求电荷受体材料具有较高效的电荷提取效率，即电荷转移较快些；同时，要求上述两种材料可实现波长的选择性激发，即两种材料的吸收光谱不存在重叠区域。我们这里以CdSe@CdS DIR-Pt的纳米异质结结构作为我们的模型体系来表明这类体系通过pump-pump-probe手段实现三体的产生及其有效探测的相关特性。