ナノ構造化が半導体-触媒界面電子移動の架け橋となる。光強度に依存しないエネルギー利用と効率的な太陽光駆動光触媒を実現する

Nanostructuring Bridges Semiconductor-Cocatalyst Interfacial Electron Transfer: Realizing Light-Intensity-Independent Energy Utilization and Efficient Sunlight-Driven Photocatalysis.

• Zhijian Wang
• Wei Qiao
• Mi Yuan
• Na Li
• Jiazang Chen

抄録

熱力学的に実現可能であるにもかかわらず、ポテンシャル障壁やトラップ状態に由来する高い活性化エネルギーは、半導体ナノ構造から還元型コ触媒への電子の界面移動を運動学的に阻害し、結果として光触媒における光生成電荷キャリアの利用率を低下させることになる。ナノ構造に起因するポテンシャル障壁の狭窄は、トンネリングによる界面電子移動を運動学的に促進する合理的な解決策を提供している。ここでは、理論シミュレーションに触発されて、半導体ナノ構造を均質な中間層で被覆することにより、光生成電荷キャリアの分離を促進することに成功した。界面電子移動のための低い活性化エネルギーは、ほぼ一定の量子収率と入射光に対する準一次反応を可能にし、特に太陽光下では、界面層を持たない光触媒よりも明らかに優れている。本研究では、ベンジルアミンの酸化を組み込んだ太陽光駆動型水素発生の実証実験を行い、還元・酸化半減反応の生成率は、中間膜なしの場合と比較して約10倍の約0.77mmol dm hに達することを確認した。

Despite thermodynamic feasibility, the high activation energy originating from potential barriers and trap states kinetically prevents the interfacial transfer of electrons from semiconductor nanostructures to reduction cocatalysts, resulting in a lowered utilization of photogenerated charge carriers in photocatalysis. Nanostructuring-induced narrowing of potential barriers offers a rational solution to kinetically facilitate interfacial electron transfer by tunneling. Here, inspired by theoretical simulation, we manage to promote the separation of photogenerated charge carriers by coating the semiconductor nanostructures with a homogeneous interlayer. The low activation energy for interfacial electron transfer endows photocatalysis with nearly constant quantum yields and a quasi-first-order reaction to the incident photons and grants evident superiority over the photocatalyst without interlayers, especially under sunlight. In our demonstrated sunlight-driven hydrogen evolution integrated with benzylamine oxidation, the production rates for both reduction and oxidation half-reactions reach as high as ∼0.77 mmol dm h, which are ∼10 times higher than that without an interlayer.