物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (11): 2007067.doi: 10.3866/PKU.WHXB202007067
所属专题: 能源与材料化学
关黎明1, 郭北斗1,2, 贾鑫蕊1,2, 谢关才1,2, 宫建茹1,2,*()
收稿日期:
2020-07-25
录用日期:
2020-09-07
发布日期:
2020-09-11
通讯作者:
宫建茹
E-mail:gongjr@nanoctr.cn
作者简介:
第一联系人:†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Liming Guan1, Beidou Guo1,2, Xinrui Jia1,2, Guancai Xie1,2, Jian Ru Gong1,2,*()
Received:
2020-07-25
Accepted:
2020-09-07
Published:
2020-09-11
Contact:
Jian Ru Gong
E-mail:gongjr@nanoctr.cn
About author:
Jian Ru Gong, Email: gongjr@nanoctr.cn; Tel.: +86-10-82545649Supported by:
摘要:
单层石墨烯已被证明对质子是可渗透的,而对其它原子和分子不可渗透,这一特性在燃料电池和氢同位素分离等方面具有潜在的应用。Geim等人报道了催化活化石墨烯膜质子传输的巨大光效应。其实验表明,光照和具有催化活性金属纳米颗粒的协同作用在这种光效应中起关键作用。Geim等人认为巨大光效应是由金属纳米颗粒和石墨烯之间产生的局部光电压引起的。局部光电压将质子和电子传送至金属纳米颗粒以产生氢气,同时将空穴排斥使之远离。但是,根据静电场理论,这种解释并不能令人信服,并且在他们的工作中也没有此效应的微观机理分析。我们在此文中提出了一种该现象背后的确切微观机制。对于具有半金属性质的石墨烯,光激发的大多数热电子会在皮秒时间内驰豫到较低的能态,而发生化学反应所需的时间一般为纳秒范围。因此,在单一石墨烯的情况下,入射光激发的热电子在与透过石墨烯的质子反应之前就已驰豫到较低的能态。当用金属粒子修饰石墨烯时,由功函数不同引起的电子转移会导致界面偶极子的形成。当金属为可与石墨烯具有相互强烈作用的Pt、Pd、Ni等时,就会形成局部偶极子。质子将被俘获在局部偶极子的负极周围,而电子则被俘获在正极附近。在光照射后,被俘获的电子会被激发到具有更高能级的亚稳激发态。处于高活化能的亚稳激发态的自由电子具有更长的寿命,使得它有更充分的时间与透过石墨烯的质子发生化学反应。对光照情况下高能电子的浓度的计算结果显示,光照越强时被激发到激发态的电子越多。根据本文的分析,质子通过催化活化石墨烯膜的巨大光效应归因于较长寿命的热载流子和快速的质子传输速率。因为这一反应的活化能没有变化,所以金属催化剂是通过增加反应物之间成功碰撞的次数来增大反应速率,从而产生显著的光效应。该工作可能揭示了催化剂在提高光(电)催化反应效率方面的一种新微观机制。
MSC2000:
关黎明, 郭北斗, 贾鑫蕊, 谢关才, 宫建茹. 石墨烯膜质子传输巨大光效应的微观机理[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2007067.
Liming Guan, Beidou Guo, Xinrui Jia, Guancai Xie, Jian Ru Gong. Microscopic Mechanism on Giant Photoeffect in Proton Transport Through Graphene Membranes[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2021, 37(11): 2007067.
Fig 1
Schematic illustration of the plane-averaged difference electron density ?n along the z direction showing the local dipoles formed in the specific region of the graphene-Pt nanoparticle interface. Protons are trapped around the negative poles of the local dipoles while negative free charges are near the positive ones. Electrons excited to metastable excited states with higher levels by photons can react with protons more effectively due to a relatively longer life time."
Fig 3
Proton current density as a function of illumination power for different biases. The effective two level model predicts proton current density curves (solid lines), which agree reasonably well with those of the experiment data (squares for 2.8 V and circles for 2.4 V of the bias, respectively) 11. "
1 |
Achtyl J. L. ; Unocic R. R. ; Xu L. ; Cai Y. ; Raju M. ; Zhang W. ; Sacci R. L. ; Vlassiouk I. V. ; Fulvio P. F. ; Ganesh P. ; et al Nat. Commun. 2015, 6, 6539.
doi: 10.1038/ncomms7539 |
2 |
Hu S. ; Lozada-Hidalgo M. ; Wang F. C. ; Mishchenko A. ; Schedin F. ; Nair R. R. ; Hill E. W. ; Boukhvalov D. W. ; Katsnelson M. I. ; Dryfe R. A. ; et al Nature 2014, 516, 227.
doi: 10.1038/nature14015 |
3 |
Lozada-Hidalgo M. ; Hu S. ; Marshall O. ; Mishchenko A. ; Grigorenko A. N. ; Dryfe R. A. ; Radha B. ; Grigorieva I. V. ; Geim A. K. Science 2016, 351, 68.
doi: 10.1126/science.aac9726 |
4 |
Lozada-Hidalgo M. ; Zhang S. ; Hu S. ; Esfandiar A. ; Grigorieva I. V. ; Geim A. K. Nat. Commun. 2017, 8, 15215.
doi: 10.1038/ncomms15215 |
5 |
Kroes J. M. ; Fasolino A. ; Katsnelson M. I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 5813.
doi: 10.1039/c6cp08923b |
6 |
Seel M. ; Pandey R. 2D Materials 2016, 3, 025004.
doi: 10.1088/2053-1583/3/2/025004 |
7 |
Shi L. ; Xu A. ; Chen G. ; Zhao T. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 4354.
doi: 10.1021/acs.jpclett.7b01999 |
8 |
Bartolomei M. ; Hernández M. I. ; Campos-Martínez J. ; Hernández-Lamoneda R. Carbon 2019, 144, 724.
doi: 10.1016/j.carbon.2018.12.086 |
9 |
Feng Y. ; Chen J. ; Fang W. ; Wang E. G. ; Michaelides A. ; Li X. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 6009.
doi: 10.1021/acs.jpclett.7b02820 |
10 |
Poltavsky I. ; Zheng L. ; Mortazavi M. ; Tkatchenko A. J. Chem. Phys. 2018, 148, 204707.
doi: 10.1063/1.5024317 |
11 |
Lozada-Hidalgo M. ; Zhang S. ; Hu S. ; Kravets V. G. ; Rodriguez F. J. ; Berdyugin A. ; Grigorenko A. ; Geim A. K. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 300.
doi: 10.1038/s41565-017-0051-5 |
12 |
Linic S. ; Christopher P. ; Ingram D. B. Nat. Mater. 2011, 10, 911.
doi: 10.1038/nmat3151 |
13 |
Brongersma M. L. ; Halas N. J. ; Nordlander P. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 25.
doi: 10.1038/nnano.2014.311 |
14 |
Miao M. ; Nardelli M. B. ; Wang Q. ; Liu Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 16132.
doi: 10.1039/c3cp52318g |
15 |
Bunch J. S. ; Verbridge S. S. ; Alden J. S. ; van der Zande A. M. ; Parpia J. M. ; Craighead H. G. ; McEuen P. L. Nano Lett. 2008, 8, 2458.
doi: 10.1021/nl801457b |
16 |
Xia F. ; Mueller T. ; Lin Y. M. ; Valdes-Garcia A. ; Avouris P. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 839.
doi: 10.1038/nnano.2009.292 |
17 |
Gimbert-Surinach C. ; Albero J. ; Stoll T. ; Fortage J. ; Collomb M. N. ; Deronzier A. ; Palomares E. ; Llobet A. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7655.
doi: 10.1021/ja501489h |
18 |
Hisatomi T. ; Takanabe K. ; Domen K. Catal. Lett. 2014, 145, 95.
doi: 10.1007/s10562-014-1397-z |
19 |
Kronik L. Surf. Sci. Rep. 1999, 37, 1.
doi: 10.1016/s0167-5729(99)00002-3 |
20 |
Moglestue C. J. Appl. Phys. 1986, 59, 3175.
doi: 10.1063/1.336898 |
21 |
Gong C. ; Lee G. ; Shan B. ; Vogel E. M. ; Wallace R. M. ; Cho K. J. Appl. Phys. 2010, 108, 123711.
doi: 10.1063/1.3524232 |
22 |
Zhu H. ; Zhou C. ; Wu Y. ; Lin W. ; Yang W. ; Cheng Z. ; Cai X. Surf. Sci. 2017, 661, 1.
doi: 10.1016/j.susc.2017.02.013 |
23 |
Zhang H. X. ; Zhu Y. F. ; Zhao M. Appl. Surf. Sci. 2017, 420, 105.
doi: 10.1016/j.apsusc.2017.05.142 |
24 |
Xie G. ; Guan L. ; Zhang L. ; Guo B. ; Batool A. ; Xin Q. ; Boddula R. ; Jan S. U. ; Gong J. R. Nano Lett. 2019, 19, 1234.
doi: 10.1021/acs.nanolett.8b04768 |
25 |
Tung R. T. Phys. Rev. B 2001, 64, 205310.
doi: 10.1103/PhysRevB.64.205310 |
26 |
Ran Q. ; Gao M. ; Guan X. ; Wang Y. ; Yu Z. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 103511.
doi: 10.1063/1.3095438 |
27 |
Khomyakov P. A. ; Giovannetti G. ; Rusu P. C. ; Brocks G. ; van den Brink J. ; Kelly P. J. Phys. Rev. B 2009, 79, 195425.
doi: 10.1103/PhysRevB.79.195425 |
28 |
Hupalo M. ; Liu X. ; Wang C. Z. ; Lu W. C. ; Yao Y. X. ; Ho K. M. ; Tringides M. C. Adv. Mater. 2011, 23, 2082.
doi: 10.1002/adma.201100412 |
29 |
Gong C. ; Hinojos D. ; Wang W. ; Nijem N. ; Shan B. ; Wallace R. M. ; Cho K. ; Chabal Y. J. ACS Nano 2012, 6, 5381.
doi: 10.1021/nn301241p |
30 |
Pandey P. A. ; Bell G. R. ; Rourke J. P. ; Sanchez A. M. ; Elkin M. D. ; Hickey B. J. ; Wilson N. R. Small 2011, 7, 3202.
doi: 10.1002/smll.201101430 |
31 |
Lenz Baldez R. N. ; Piquini P. ; Schmidt A. A. ; Kuroda M. A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 22153.
doi: 10.1039/c7cp04615d |
32 |
Mittendorfer F. ; Garhofer A. ; Redinger J. ; Klimeš J. ; Harl J. ; Kresse G. Phys. Rev. B 2011, 84, 201401.
doi: 10.1103/PhysRevB.84.201401 |
33 |
Giovannetti G. ; Khomyakov P. A. ; Brocks G. ; Karpan V. M. ; van den Brink J. ; Kelly P. J. Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 026803.
doi: 10.1103/PhysRevLett.101.026803 |
34 |
Jaynes E. T. ; Cummings F. W. Proc. IEEE 1963, 51, 89.
doi: 10.1109/proc.1963.1664 |
35 |
Sheldon M. T. ; van de Groep J. ; Brown A. M. ; Polman A. ; Atwater H. A. Science 2014, 346, 828.
doi: 10.1126/science.1258405 |
36 |
Sobhani A. ; Knight M. W. ; Wang Y. ; Zheng B. ; King N. S. ; Brown L. V. ; Fang Z. ; Nordlander P. ; Halas N. J. Nat. Commun. 2013, 4, 1643.
doi: 10.1038/ncomms2642 |
37 |
Schuller J. A. ; Barnard E. S. ; Cai W. ; Jun Y. C. ; White J. S. ; Brongersma M. L. Nat. Mater. 2010, 9, 193.
doi: 10.1038/nmat2630 |
38 |
Xu Y. F. ; Rao H. S. ; Chen B. X. ; Lin Y. ; Chen H. Y. ; Kuang D. B. ; Su C. Y. Adv. Sci. 2015, 2, 1500049.
doi: 10.1002/advs.201500049 |
39 |
Wang W. ; Guo B. ; Dai H. ; Zhao C. ; Xie G. ; Ma R. ; Akram M. Z. ; Shan H. ; Cai C. ; Fang Z. ; et al Nano Lett. 2019, 19, 6133.
doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02122 |
40 |
Bistritzer R. ; MacDonald A. H. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 206410.
doi: 10.1103/PhysRevLett.102.206410 |
41 |
Winzer T. ; Knorr A. ; Malic E. Nano Lett. 2010, 10, 4839.
doi: 10.1021/nl1024485 |
42 |
Song J. C. ; Rudner M. S. ; Marcus C. M. ; Levitov L. S. Nano Lett. 2011, 11, 4688.
doi: 10.1021/nl202318u |
43 |
Gabor N. M. ; Song J. C. ; Ma Q. ; Nair N. L. ; Taychatanapat T. ; Watanabe K. ; Taniguchi T. ; Levitov L. S. ; Jarillo-Herrero P. Science 2011, 334, 648.
doi: 10.1126/science.1211384 |
44 |
Tielrooij K. J. ; Piatkowski L. ; Massicotte M. ; Woessner A. ; Ma Q. ; Lee Y. ; Myhro K. S. ; Lau C. N. ; Jarillo-Herrero P. ; van Hulst N. F. ; et al Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 437.
doi: 10.1038/nnano.2015.54 |
45 |
Sun D. ; Aivazian G. ; Jones A. M. ; Ross J. S. ; Yao W. ; Cobden D. ; Xu X. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 114.
doi: 10.1038/nnano.2011.243 |
46 |
Park J. ; Ahn Y. H. ; Ruiz-Vargas C. Nano Lett. 2009, 9, 1742.
doi: 10.1021/nl8029493 |
47 |
Mueller T. ; Xia F. ; Avouris P. Nat. Photonics 2010, 4, 297.
doi: 10.1038/nphoton.2010.40 |
48 |
Nazin G. ; Zhang Y. ; Zhang L. ; Sutter E. ; Sutter P. Nat. Phys. 2010, 6, 870.
doi: 10.1038/nphys1745 |
49 |
Xu X. ; Gabor N. M. ; Alden J. S. ; van der Zande A. M. ; McEuen P. L. Nano Lett. 2010, 10, 562.
doi: 10.1021/nl903451y |
50 |
Lemme M. C. ; Koppens F. H. ; Falk A. L. ; Rudner M. S. ; Park H. ; Levitov L. S. ; Marcus C. M. Nano Lett. 2011, 11, 4134.
doi: 10.1021/nl2019068 |
51 |
Wang D. ; Sheng T. ; Chen J. ; Wang H. F. ; Hu P. Nat. Catal. 2018, 1, 291.
doi: 10.1038/s41929-018-0055-z |
52 |
Xie G. ; Zhang K. ; Guo B. ; Liu Q. ; Fang L. ; Gong J. R. Adv. Mater. 2013, 25, 3820.
doi: 10.1002/adma.201301207 |
53 |
Walter M. G. ; Warren E. L. ; McKone J. R. ; Boettcher S. W. ; Mi Q. ; Santori E. A. ; Lewis N. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6446.
doi: 10.1021/cr1002326 |
54 |
Du C. ; Yang X. ; Mayer M. T. ; Hoyt H. ; Xie J. ; McMahon G. ; Bischoping G. ; Wang D. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 12692.
doi: 10.1002/anie.201306263 |
55 |
Waegele M. M. ; Gunathunge C. M. ; Li J. ; Li X. J. Chem. Phys. 2019, 151, 160902.
doi: 10.1063/1.5124878 |
56 |
Ali H. ; Golnak R. ; Seidel R. ; Winter B. ; Xiao J. ACS Appl. Nano Mater. 2019, 3, 264.
doi: 10.1021/acsanm.9b01939 |
[1] | 包玉菲, 冯立纲. PdNi/石墨烯气凝胶电催化甲酸氧化[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2008031 -0 . |
[2] | 薛延荣, 王兴栋, 张向前, 方锦杰, 许志远, 张宇烽, 刘雪瑞, 刘梦园, 朱威, 庄仲滨. 具有经济性的碱性膜燃料电池氢气氧化反应催化剂[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2009103 -0 . |
[3] | 王苹, 李海涛, 曹艳洁, 余火根. 羧基功能化石墨烯增强TiO2光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2008047 -0 . |
[4] | 张雪华, 曹彦伟, 陈琼遥, 沈超仁, 何林. 均相催化CO2/H2还原羰基化合成高值化学品研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2007052 -0 . |
[5] | 安惠芳, 姜莉, 李峰, 吴平, 朱晓舒, 魏少华, 周益明. 基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(7): 1905034 -0 . |
[6] | 张婷,李翠翠,王伟,郭兆琦,庞爱民,马海霞. 三维氧化铁/石墨烯的构建及其对CL-20的热分解性能的影响[J]. 物理化学学报, 2020, 36(6): 1905048 -0 . |
[7] | 魏风,毕宏晖,焦帅,何孝军. 超级电容器用相互连接的类石墨烯纳米片[J]. 物理化学学报, 2020, 36(2): 1903043 -0 . |
[8] | 陈尧,陈政. 新碳源制备活性炭和石墨烯及其非等电极电容水系超级电容器[J]. 物理化学学报, 2020, 36(2): 1904025 -0 . |
[9] | 朱家瑶, 董玥, 张苏, 范壮军. 炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(2): 1903052 -0 . |
[10] | 许可, 王晋芬. 基于一维和二维纳米材料的神经界面构筑[J]. 物理化学学报, 2020, 36(12): 2003050 -0 . |
[11] | 刘杨, 段小洁. 基于碳纳米材料的神经电极技术[J]. 物理化学学报, 2020, 36(12): 2007066 -0 . |
[12] | 孙成珍, 周润峰, 白博峰. 基于静电效应的石墨烯纳米孔选择性渗透特性[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1911044 -0 . |
[13] | 陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 新型石墨烯基LED器件:从生长机理到器件特性[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1907004 -0 . |
[14] | 付静茹,贲腾,裘式纶. 聚合物支撑的金属有机骨架膜的制备及其气体分离性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1901079 -0 . |
[15] | 方佳丽, 陈新, 李唱, 吴玉莲. 原位液体室透射电镜观察金纳米棒/石墨烯复合物的形成和运动过程[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 808 -815 . |
|