以碳基纳米材料为研究核心，致力于高效光电催化体系、光电化学电池的设计及机理研究。

代表性工作：

Appl. Catal. B Environ. | 碳点增强TiO₂光阳极的界面电子转移和光电化学动力学

光电化学（PEC）分解水是将太阳能转化为化学燃料的最具前景的策略之一。由快速电子-空穴复合导致的光生电荷分离效率低下，被认为是阻碍TiO₂光阳极在PEC电池中性能进一步提升的关键挑战。本研究通过一步水热法制备了锚定氮掺杂碳点（N-CDs）的TiO₂光阳极。原位瞬态光电压（TPV）技术表明，N-CDs的存在使TiO₂光阳极形成了电子陷阱效应。同时，实验证实N-CDs使TiO₂的电荷提取能力提升约160%，显著提高了光生电荷分离效率。此外，N-CDs还增强了TiO₂光阳极的导电性，促进了光生电荷转移效率。TiO₂光阳极及其界面的阻抗分别降低了约34%和66%。在AM 1.5G光照强度和1.23 V vs. RHE条件下，TiO₂/N-CDs（TNCD-15 mg）在1.0 M NaOH溶液中的最高光电流密度达到3.09 mA cm^-2，是原始TiO₂的3.22倍。该工作通过原位表征揭示了N-CDs锚定提升PEC性能的作用机制，为设计更高性能的PEC材料提供了新思路。

图1a展示了一个PEC电池的结构，在此电池结构中，TNCD-15 mg光阳极在AM 1.5 G光强和1.23 V vs.RHE下，在1.0 M NaOH中的光电流密度为3.09 mA cm⁻²，约为原始TiO₂的3.22倍（图1b）。图1c展示了不同碳点添加量对光阳极最大光电流密度和起始电压的影响，同时，从图1d中能够看出光电流密度在氙灯开启时迅速升高，氙气灯熄灭时急剧返回接近零，因此可以得出一个明确的结论，即合成的光阳极在开光或关灯时具有良好的再现性。如图1e所示，TiO₂和TNCD-15mg在小于约430 nm时均具有高效率，表明N-CDs的加入并没有改变TiO₂的光子到电子转化集中在紫外区域的事实。TiO₂和TNCD-15mg在约390 nm处均存在最大IPCE值，分别达到约30 %和65 %。如图1f所示，TiO₂和TNCD-15mg在0.60V时与RHE相比均达到饱和电位，但TNCD-15mg的最高光转换效率为1.38 %，远高于TiO₂（0.4 %），说明锚定N-CDs在相同饱和电位下能显著提升最大光电流，从而大大提高光转换效率。IPCE和ABPE效率的明显提高可以推断为N-CDs作用于电子的结果，即N-CDs降低了光生电荷和空穴的复合速率，从而降低了每单位时间内在外部电路中产生的电子数量，但每单位时间内入射单色光子的数量没有变化，所以上面提到的两个效率提高了

我们利用原位瞬态光电压技术对光阳极的电荷传输动力学进行了测试，提出了TiO₂中的N-CDs能够捕获电子并降低光生电子和空穴的复合效率的结论。如图2所示，在太阳光的照射下，TNCD-15mg很容易产生光生电子-空穴对。光生电子快速传导到N-CDs然后转移到对电极，同时光生空穴留在TiO₂纳米棒上并与H₂O反应生成O₂。在这个电荷转移过程中，由于N-CDs的存在，快速电子转移过程变得更快，提高了电荷转移效率。同时，通过将N-CDs锚定在TiO₂光阳极中形成电子陷阱效应，使得慢速电子转移过程更加缓慢，提高了表面氧化还原反应速率，进一步提高了表面电荷注入效率。这项工作为PEC材料设计提供了新的思路，以实现更高的PEC性能。

图1. (a) PEC电池示意图，(b)在1.0 M NaOH且光强为AM 1.5 G条件下的LSV曲线，(c) N-CDs质量与PEC性能之间的关系，(d)在1.23 V vs. RHE电压且短切光照射(AM 1.5 G)下测量的光响应, (e) IPCE光谱, (f)计算出的TiO₂和TNCD-15mg的ABPE。

图2. 碳点在TNCD-15 mg光阳极中的作用机理示意图。

文章信息：Carbon dots enhance the interface electron transfer and photoelectrochemical kinetics in TiO₂ photoanode, Appl. Catal. B Environ.2022, 304, 120983.