【引言】

利用光催化劑，磁場(chǎng)增催化材料對(duì)太陽能進(jìn)行捕獲與轉(zhuǎn)化并進(jìn)一步將其用于化學(xué)燃料的強(qiáng)光存儲(chǔ)以及有機(jī)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(jī)的重要途徑之一。因此，磁場(chǎng)增催化材料目前當(dāng)務(wù)之急是強(qiáng)光提升催化劑的性能。主流方法包括通過離子摻雜手段實(shí)現(xiàn)的研究能帶工程，通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)手段實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)增催化材料界面設(shè)計(jì)等，然而盡管這些方法近年來取得了極大成功，強(qiáng)光但光催化劑的研究太陽能轉(zhuǎn)化效率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。為了進(jìn)一步提升光催化劑性能，磁場(chǎng)增催化材料一些外場(chǎng)增強(qiáng)催化性能的強(qiáng)光工作逐漸受到重視。另一方面磁場(chǎng)盡管具有清潔高效無接觸的研究特點(diǎn)，但由于塞曼能在室溫下遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體帶隙，磁場(chǎng)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(qiáng)光

【成果簡(jiǎn)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jī)理，并利用這一機(jī)理實(shí)現(xiàn)了α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)催化劑對(duì)有機(jī)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(chǎng)下光催化降解性能

(a) 外磁場(chǎng)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(chǎng)下降解RhB性能；

(c) α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同外磁場(chǎng)下降解RhB的動(dòng)力曲線；

(d) α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)外磁場(chǎng)下降解其他有機(jī)物性能。

圖4. α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)外磁場(chǎng)下光電催化性能

(a) α-Fe₂O₃/rGO復(fù)合結(jié)構(gòu)外磁場(chǎng)下光電流性能；

(b)α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在外磁場(chǎng)下的電子壽命。

圖5.磁場(chǎng)增強(qiáng)α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)光催化性能機(jī)制圖

(a) α-Fe₂O₃/rGO復(fù)合結(jié)構(gòu)無磁場(chǎng)時(shí)的電子空穴對(duì)遷移；

(b)α-Fe₂O₃/rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)下的電子空穴對(duì)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(chǎng)下該材料光催化降解多種有機(jī)物以及光電流情況。由于外磁場(chǎng)引起的負(fù)磁電阻效應(yīng)，光催化性能得到顯著增強(qiáng)。這一效應(yīng)也為磁場(chǎng)在其它催化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用帶來了新的可能。

文獻(xiàn)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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