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金属氧化物表面二氧化碳光致还原机理研究取得进展
http://www.cnhengqi.net 2020-02-17 17:20:17 中国科学技术大学

  近日,中国科学技术大学物理学院及合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)教授赵瑾团队在氧化物表面CO2光致还原机理研究工作中取得新进展。

  他们利用团队自主发展的第一性原理激发态动力学程序,揭示了氧化物表面的CO2分子可以通过短暂捕获电子来激发CO2分子的弯曲和非对称拉伸的振动模式,降低CO2 LUMO轨道的能量,使得CO2分子能够捕获光电子,发生还原反应。

  光电子就是在光电效应中因受激辐射而产生的电子,本质就是金属板的电子,与“光子”这个概念相对应了。“光子”是目前人们认为的光的本质:光是由一份份光子组成的,就像一个个小球。不过与小球有本质区别就是光子没质量,且具有波动和粒子两种性质(波粒二象性)。

  固体表面CO2光还原一直是一个有挑战的科学问题,其中主要的瓶颈存在于CO2分子的LUMO轨道能量过高,难以捕获光激发的热电子而产生还原反应。赵瑾团队利用自主研发的第一性原理激发态动力学软件Hefei-NAMD对TiO2表面的CO2光还原机制进行了研究。研究发现,由于CO2分子的LUMO能量高于TiO2的导带底能量,因此CO2分子难以稳定地捕获电子,在一定的寿命之内,CO2上的电子将会衰减回TiO2导带。

  半导体中的电子可以吸收一定能量(如光子、外电场等)而被激发,处于激发态的电子称为热电子。处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁,以光辐射的形式释放出能量,这就是半导体的发光现象。

  MOS器件沟道中的电场强度超过100kV/cm时,电子在两次散射间获得的能量有可能超过它在散射中失去的能量,这会使一部分电子的能量显著高于热平衡时的平均动能而成为热电子。高能量的热电子会严重影响MOS器件和电路的可靠性。

  然而,如果CO2吸附在TiO2的氧缺陷位置,并且其捕获电子的寿命可以超过12飞秒,形成短暂寿命的CO2.-,那么CO2分子的弯曲和非对称拉伸两种振动模式就会被有效激发,就可以将CO2的LUMO轨道能量降低至TiO2导带底之下,并保持150 fs左右的时间,此时CO2可以在80 fs之内有效捕获导带上的电子,并在之后的30-40 fs发生解离形成CO分子。这项工作揭示了CO2振动模式激发在光还原过程中的关键性作用,并从第一性原理计算的角度对TiO2表面CO2分子的光致还原的激发态动力学给出了清晰的描述。

  超声波促进光还原在水相软模板中制备金纳米粒子的方法,属于金属材料中纳米粒子制备技术领域。本发明利用聚乙二醇(PEG)和十二烷基硫酸钠(SDS)形成的软团簇为软模板,以氯金酸(HAUCL4)为原料,用超声波促进光还原,在紫外光还原作用下分步诱导合成粒径可调的球形金纳米粒子。在反应过程中,PEG和SDS组成的软模板起控制金纳米粒子尺寸的作用。反应产物经高速离心后,用水洗涤沉淀得到粒度约20-80NM并具有窄粒径分布特征的球形金纳米粒子。本发明的特点是:产品处于纳米尺度且粒径分布窄,制备过程污染小,产品分离容易,操作简便。

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