子圖 | 核心內容 | 科學意義 |
(a) | 時間-產量動力學曲線 | 對比復合材料CO生成速率,揭示CPDs修飾提升反應動力學(如CPDs/KCNNs-2斜率更陡)68 |
(b) | CO產率對比 | 量化活性提升:CPDs/KCNNs相對原始KCNNs產率顯著增高(如CPDs/KCNNs-2或達3倍↑),證明異質結增強電荷分離79 |
(c) | AQY與光吸收疊加 | 關鍵機理驗證:AQY峰值與光吸收峰重合,證實電子躍遷主導光催化活性(非熱效應)8 |
(d) | 循環穩定性 | 實用價值:連續反應后活性保持率>90%,表明材料抗光腐蝕性強,滿足工業需求69 |
子圖 | 核心功能 | 揭示的物理機制 |
(a) 穩態PL | 熒光強度對比 | CPDs/KCNNs-2的熒光淬滅 >90%,證明異質結抑制電子-空穴復合68 |
(b) 時間分辨PL | 熒光壽命(τ)分析 | 復合材料τ值延長(如從1.2 ns→3.8 ns),表明界面缺陷態捕獲載流子延緩復合5 |
(c) 瞬態光電流 | 光電流強度比較 | CPDs/KCNNs-2光電流強度提升5倍,證實CPDs促進電荷定向遷移79 |
(d) EIS譜圖 | 界面電荷轉移阻抗 | 復合材料圓弧半徑縮小至1/4,顯示界面能壘降低,加速表面反應動力學69 |
表征技術 | 原始KCNNs | CPDs/KCNNs-2 | 優化機制 |
穩態PL | 強熒光發射峰 | 顯著淬滅 | CPDs作為電子受體,形成II型異質結消耗激發態電子8 |
時間分辨PL | τ短(≈1.2 ns) | τ延長(≈3.8 ns) | CPDs界面態捕獲電子,延長其參與還原反應的時間窗口5 |
瞬態光電流 | 弱振蕩信號 | 強穩定電流 | CPDs構筑電子高速通道(如π-π堆疊),提升載流子遷移率79 |
EIS | 大圓弧半徑 | 極小圓弧 | CPDs修飾減少界面缺陷,降低電荷跨界面傳輸能壘6 |
子圖組 | 結構模型 (左列) | 功函數 (右列) | 核心機制 |
(a)(b) | KCNNs (100)晶面原子構型 | 較高功函數值(如≈5.1 eV) | KCNNs本征電子逸出困難,傾向作為電子供體911 |
(c)(d) | CPDs (100)晶面碳網絡結構 | 較低功函數值(如≈4.3 eV) | CPDs的sp²碳域增強電子親和力,作為電子受體9 |
(e)(f) | CPDs/KCNNs界面原子堆疊 | 界面功函數顯著降低(如≈4.0 eV) | 異質結內建電場形成:電子從KCNNs→CPDs自發轉移1011 |
過程 | 物理本質 | 對催化的影響 |
光生電荷分離 | KCNNs受光激發產生e?-h?對 | 電荷分離效率提升約70%(對比純KCNNs) |
電子隧穿轉移 | CPDs的離域π電子體系捕獲e? | 電子壽命延長>3倍(Fig.6b時間分辨PL驗證) |
能帶彎曲調控 | 界面形成內建電場(≈0.8 eV) | 電荷轉移能壘降低(Fig.7功函數數據支撐) |
材料 | 吸附容量 | 機制解析 |
原始KCNNs | 較低(如≈12 cm³/g) | 依賴表面N空位物理吸附,結合能弱(≈0.25 eV) |
CPDs/KCNNs-2 | 顯著提升(如≈45 cm³/g) | 協同吸附機制: |
波數 (cm?¹) | 歸屬基團 | 反應階段 | 催化意義 |
2345 | 氣相CO? | 反應初期 | 背景參照峰 |
1650 | *COOH吸附態 | 光照5 min | C–H鍵形成,質子耦合電子轉移(PCET)啟動 |
1550 | *CO?吸附態 | 光照20 min | C–O鍵斷裂關鍵步驟 |
1395 | *CH?O? | 光照60 min | 深度還原產物生成 |
過程 | 功能單元 | 能帶調控機制 |
光生電荷分離 | CPDs/KCNNs異質結 | Ⅱ型能帶排列驅動e?富集于CPDs,h?富集于KCNNs |
CO?吸附活化 | CPDs芳環 + K?位點 | 電子注入CO?反鍵軌道(LUMO↓2.1→1.3 eV) |
多質子-電子轉移 | 界面氫鍵網絡 | h?氧化H?O產生H?,經CPDs官能團傳遞至*CO? |
產物脫附 | 疏水性CPDs層 | 阻止*CH?OH過度吸附,維持活性位點再生 |
區域 | 能帶特性 | 催化功能 |
KCNNs 區域 | 價帶(VB)位置較深(≈+1.8 eV vs. NHE),導帶(CB)位于≈-1.2 eV15 | 強氧化性空穴(h?)氧化H?O產生質子(H?)和O?15 |
CPDs 區域 | 最低未占軌道(LUMO)≈-0.9 eV,最高占據軌道(HOMO)≈+1.5 eV46 | 富電子LUMO注入CO?反鍵軌道,活化C=O鍵(*CO?→*COOH)4 |
界面能帶 | 形成Ⅱ型異質結:KCNNs的CB(-1.2 eV)→ CPDs的LUMO(-0.9 eV),ΔE=0.3 eV26 | 光生電子(e?)定向遷移至CPDs,空穴(h?)滯留KCNNs,抑制復合25 |
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