山东大学郑昭科ACS Nano综述：单颗粒光谱技术及其电荷转移/光催化机制研究

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第一作者：吕敏，张翔翔，李蓓

通讯作者：郑昭科

通讯单位：山东大学

论文DOI: 10.1021/acsnano.4c10702

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在微纳水平上深入理解载流子传输行为对于提升光催化转换效率至关重要。然而，光催化纳米颗粒的异质性和复杂的电荷转移过程限制了人们对光催化反应机制的深入了解。基于此，山东大学郑昭科教授团队通过单颗粒荧光光谱技术，建立了光催化剂微观性质与光物理行为之间的精确对应关系，原位阐明了光催化剂载流子分离及其催化机理，这为提高光催化效率提供了新的视角。本文主要综述了单颗粒光谱的基本原理、优势及其在等离激元和半导体光催化研究中的显著进展，特别强调了其在理解电荷分离和光催化反应机理方面的重要性，为设计高效的光催化体系提供了科学的指导。最后，总结并展望了单颗粒荧光光谱技术的发展前景，尤其是对其技术升级的新见解。

背景介绍

在全球化能源危机和环境污染的双重挑战下，光催化技术作为一种将太阳能转化为化学能的绿色技术，成为了科研界的研究焦点。光催化剂的几何结构、活性位点性质和分布的差异以及复杂的电荷转移过程对光催化性能具有决定性的影响。然而，传统测量方法无法捕捉单个催化剂颗粒的特性，这限制了对光催化过程的深入理解。因此，为全面理解和优化光催化过程，需要从宏观平均的视角深入到单颗粒层面的研究，以揭示影响光催化活性的关键因素。

在光化学转换过程中，载流子的生成、分离与传输在很大程度上取决于光催化剂的光物理性质。荧光，光激发电子的衰减路径之一，允许直接地观察和分析光催化剂的光物理行为。通过单颗粒荧光光谱监测荧光特征参量，研究人员不仅可以评估光催化剂的性能(比如光吸收能力和载流子的分离效率)，而且能够深入研究催化剂表界面的载流子动力学行为，包括载流子的寿命和迁移路径。这对于理解和优化光催化过程至关重要。因此，在单颗粒水平上检测催化剂的荧光信号将为纳米材料研究带来新的可能性。

全文亮点

1. 详细阐述了单颗粒荧光光谱技术的基本原理、系统组成和优势。

2. 全面分析了单颗粒荧光光谱技术在等离激元和半导体光催化领域监测光生载流子动力学、界面电子转移过程以及催化反应机制方面的应用，展现其在光催化研究中的独特优势，为设计高效的光催化系统提供了理论指导。

3. 客观的总结和展望了单颗粒荧光光谱技术的发展前景，特别是在提高时空分辨率、成像速度以及实现反应中间体原位监测的技术升级方面提供了新见解。

图文解析

图1. 单颗粒荧光光谱原理图。

图2. 系综水平和单颗粒水平的PL光谱和寿命图像。

与系综测量相比，单颗粒荧光光谱技术可以准确地获取单个纳米颗粒的荧光信息，包括PL峰位置、PL强度和光谱形状，这是材料特性分析的关键参数。其次，单颗粒荧光光谱系统通过对极弱荧光信号的捕获，实现了单个颗粒的荧光光谱与其高分辨微观形貌的准原位对应。此外，单颗粒荧光光谱系统监测的PL寿命和PL图像可以直观地提供催化剂表面/界面上活性位点分布和电荷载流子传输途径的信息，有助于光催化中载流子动力学的分析。最后，单颗粒荧光光谱技术还可以实时观察催化反应。通过将荧光光谱的变化（Δλ， ΔI）与界面相互作用（吸附、电荷转移）联系起来，可以对复杂的光催化过程有更深入的了解。

图3. 单颗粒光谱技术用于分析等离激元光催化材料的热电子弛豫过程。

图4. 单颗粒光谱技术用于揭示半导体光催化剂微纳区域（边缘、拐角、缺陷位点）电荷转移机制。

图5. 单颗粒荧光光谱技术用于原位监测半导体异质结光催化剂的催化反应。

图6. 单颗粒荧光光谱技术用于探究等离激元金属-半导体光催化剂中热电子提取效率。

总结与展望

单颗粒荧光光谱技术以其卓越的分辨率和分析能力，成为深入研究光催化过程复杂性的有力工具。它可以揭示微纳尺度的催化位点分布，探究光生电荷载流子的生成、转移和催化反应过程，这为推动光化学转化的发展提供了新的见解。尽管单颗粒荧光光谱技术已有广泛应用，但在时空分辨率、成像速度以及实现反应中间体原位监测方面仍面临许多挑战。未来，可以通过多技术联合、核心模块优化、原位反应池开发等手段实现技术升级。升级后的单颗粒荧光光谱技术将为直接“看到”纳米尺度上的电荷转移提供可能，并为深入探索光化学转化过程提供重要研究手段。

作者介绍

郑昭科 教授，国家优秀青年科学基金获得者，山东省杰出青年基金获得者，山东大学杰出中青年学者，齐鲁青年学者，教授、博导。德国洪堡学者、日本JSPS研究员，中国感光学会光催化专业委员会委员，中国可再生能源学会光化学专委会青年委员，欧洲研究委员会（ERC）评审专家。长期从事光催化过程中载流子传输和催化机理的单颗粒水平光谱研究。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Energy Lett.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Lett.、Adv. Mater.等期刊发表论文150余篇，ESI高被引论文16篇，他引7000余次；授权发明专利36项。研究成果被Nature Materials、Nature Photonics等顶级期刊和Angewandte Highlights选为研究亮点重点报道。曾获山东省自然科学二等奖和教育部优秀成果二等奖等称号奖励。

文献信息

Min Lv, Xiangxiang Zhang, Bei Li, Baibiao Huang, and Zhaoke Zheng. Single-Particle Fluorescence Spectroscopy for Elucidating Charge Transfer and Catalytic Mechanisms on Nano-Photocatalysts. ACS Nano. 2024.

DOI: 10.1021/acsnano.4c10702

文章链接 https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10702

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