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。
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. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007067
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. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007067
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] | 徐涵煜, 宋雪旦, 张青, 于畅, 邱介山. 理论研究Cu@C2N催化剂表面上水分子对电催化CO2还原反应机理的影响[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303040 - . |
[2] | 项景超, 李静君, 杨雪, 高水英, 曹荣. 阳离子镍基MOF自组装CdS/PFC-8催化剂用于可见光光催化选择性苯甲醇氧化耦合产氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(4): 2205039 -0 . |
[3] | 王奥琦, 陈军, 张鹏飞, 唐珊, 冯兆池, 姚婷婷, 李灿. NiMo(O)物相结构与电解水析氢反应活性的关联[J]. 物理化学学报, 2023, 39(4): 2301023 -0 . |
[4] | 吕浩亮, 王雪杰, 杨宇, 刘涛, 张留洋. 还原氧化石墨烯包覆MOF衍生In2Se3用于钠离子电池负极[J]. 物理化学学报, 2023, 39(3): 2210014 -0 . |
[5] | 王正慜, 洪庆玲, 王晓慧, 黄昊, 陈煜, 李淑妮. 氮掺杂石墨烯气凝胶锚定RuP纳米粒子用于水合肼氧化辅助产氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2303028 - . |
[6] | 廖珺豪, 赵一萱, 胡兆宁, 补赛玉, 陆琪, 尚明鹏, 贾开诚, 裘晓辉, 谢芹, 林立, 刘忠范. 光刻胶辅助的石墨烯晶圆无损转移[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2306038 - . |
[7] | 亓月, 孙禄钊, 刘忠范. 超级蒙烯材料:石墨烯家族的新成员[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307028 - . |
[8] | 杨嘉炜, 郑春阳, 庞亚会, 纪仲阳, 李雨芮, 胡嘉仪, 朱江瑞, 陆琪, 林立, 刘忠范, 胡清梅, 关宝璐, 尹建波. 耦合蝶形天线的石墨烯室温太赫兹探测器[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307012 - . |
[9] | 高振飞, 宋清泉, 肖志华, 李兆龙, 李涛, 罗家俊, 王珊珊, 周万立, 李兰英, 于俊荣, 张锦. 亚微米尺寸、高结晶度石墨烯增强间位芳纶纤维力学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307046 - . |
[10] | 刘若娟, 刘冰之, 孙靖宇, 刘忠范. 气相助剂辅助绝缘衬底上石墨烯生长:现状与展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2111011 -0 . |
[11] | 贺文娅, 程虎虎, 曲良体. 烯碳纤维基能源器件的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2203004 - . |
[12] | 刘汉卿, 周锋, 师晓宇, 史全, 吴忠帅. 石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2204017 - . |
[13] | 何文倩, 邸亚, 姜南, 刘遵峰, 陈永胜. 石墨烯诱导水凝胶成核的高强韧人造蛛丝[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2204059 - . |
[14] | 夏洲, 邵元龙. 湿法纺制石墨烯纤维:工艺、结构、性能与智能应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2103046 - . |
[15] | 彭景淞, 程群峰. 仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2005006 - . |
|