【引言】
利用光催化劑，磁場增催化材料對太陽能進行捕獲與轉(zhuǎn)化并進一步將其用于化學(xué)燃料的強光存儲以及有機污染物的消除，被認(rèn)為是研究解決當(dāng)前全世界能源與環(huán)境危機的重要途徑之一。因此，磁場增催化材料目前當(dāng)務(wù)之急是強光提升催化劑的性能。主流方法包括通過離子摻雜手段實現(xiàn)的研究能帶工程，通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)手段實現(xiàn)的磁場增催化材料界面設(shè)計等，然而盡管這些方法近年來取得了極大成功，強光但光催化劑的研究太陽能轉(zhuǎn)化效率仍遠遠低于預(yù)期。為了進一步提升光催化劑性能，磁場增催化材料一些外場增強催化性能的強光工作逐漸受到重視。另一方面磁場盡管具有清潔高效無接觸的研究特點，但由于塞曼能在室溫下遠小于半導(dǎo)體帶隙，磁場增催化材料因此被認(rèn)為難以在本質(zhì)上調(diào)節(jié)催化劑光催化性能。強光
【成果簡介】
近日，研究南京大學(xué)王敦輝教授和天津大學(xué)米文博教授（共同通訊作者）課題組在ACS Nano上發(fā)表了題為 “Enhanced Photocatalytic Performance through Magnetic Field Boosting Carrier Transport”的文章。研究團隊設(shè)計了α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)，并基于該復(fù)合結(jié)構(gòu)界面載流子自旋極化的特性，在該體系中獲得了室溫負(fù)磁電阻效應(yīng)，從而提高了參與光催化的載流子的遷移率。研究者提出了自旋相關(guān)特性在光催化過程中的作用機理，并利用這一機理實現(xiàn)了α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)催化劑對有機物降解以及光電流性能的提升。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)表征
(a) α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)XRD圖譜；
(b) α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)拉曼圖譜；
(c) α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)Fe 2p XPS圖譜；
(d) α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)C 1s XPS圖譜。
圖2. α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)磁性、磁電阻性能表征
(a) α-Fe2O3/rGO 室溫磁滯回線；
(b) 模擬α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)界面示意圖；
(c) 模擬α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)自旋態(tài)密度；
(d) α-Fe2O3和α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)的室溫磁電阻性能。
圖3. α-Fe2O3/rGO 外磁場下光催化降解性能
(a) 外磁場下光催化設(shè)備示意圖；
(b)α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同外磁場下降解RhB性能；
(c) α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同外磁場下降解RhB的動力曲線；
(d) α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)外磁場下降解其他有機物性能。
圖4. α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)外磁場下光電催化性能
(a) α-Fe2O3/rGO復(fù)合結(jié)構(gòu)外磁場下光電流性能；
(b)α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在外磁場下的電子壽命。
圖5.磁場增強α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)光催化性能機制圖
(a) α-Fe2O3/rGO復(fù)合結(jié)構(gòu)無磁場時的電子空穴對遷移；
(b)α-Fe2O3/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在磁場下的電子空穴對遷移。
【小結(jié)】
研究者采用水熱法制備了α-Fe2O3與還原氧化石墨烯復(fù)合材料，研究了在外磁場下該材料光催化降解多種有機物以及光電流情況。由于外磁場引起的負(fù)磁電阻效應(yīng)，光催化性能得到顯著增強。這一效應(yīng)也為磁場在其它催化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用帶來了新的可能。
文獻鏈接：Enhanced Photocatalytic Performance through Magnetic Field Boosting Carrier Transport (ACS Nano, 2018, 12 (4), pp 3351–3359)
本文由南京大學(xué)王敦輝教授課題組供稿。
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