子图 | 核心内容 | 科学意义 |
(a) | 时间-产量动力学曲线 | 对比复合材料CO生成速率,揭示CPDs修饰提升反应动力学(如CPDs/KCNNs-2斜率更陡)68 |
(b) | CO产率对比 | 量化活性提升:CPDs/KCNNs相对原始KCNNs产率显著增高(如CPDs/KCNNs-2或达3倍↑),证明异质结增强电荷分离79 |
(c) | AQY与光吸收叠加 | 关键机理验证:AQY峰值与光吸收峰重合,证实电子跃迁主导光催化活性(非热效应)8 |
(d) | 循环稳定性 | 实用价值:连续反应后活性保持率>90%,表明材料抗光腐蚀性强,满足工业需求69 |
子图 | 核心功能 | 揭示的物理机制 |
(a) 稳态PL | 荧光强度对比 | CPDs/KCNNs-2的荧光淬灭 >90%,证明异质结抑制电子-空穴复合68 |
(b) 时间分辨PL | 荧光寿命(τ)分析 | 复合材料τ值延长(如从1.2 ns→3.8 ns),表明界面缺陷态捕获载流子延缓复合5 |
(c) 瞬态光电流 | 光电流强度比较 | CPDs/KCNNs-2光电流强度提升5倍,证实CPDs促进电荷定向迁移79 |
(d) EIS谱图 | 界面电荷转移阻抗 | 复合材料圆弧半径缩小至1/4,显示界面能垒降低,加速表面反应动力学69 |
表征技术 | 原始KCNNs | CPDs/KCNNs-2 | 优化机制 |
稳态PL | 强荧光发射峰 | 显著淬灭 | CPDs作为电子受体,形成II型异质结消耗激发态电子8 |
时间分辨PL | τ短(≈1.2 ns) | τ延长(≈3.8 ns) | CPDs界面态捕获电子,延长其参与还原反应的时间窗口5 |
瞬态光电流 | 弱振荡信号 | 强稳定电流 | CPDs构筑电子高速通道(如π-π堆叠),提升载流子迁移率79 |
EIS | 大圆弧半径 | 极小圆弧 | CPDs修饰减少界面缺陷,降低电荷跨界面传输能垒6 |
子图组 | 结构模型 (左列) | 功函数 (右列) | 核心机制 |
(a)(b) | KCNNs (100)晶面原子构型 | 较高功函数值(如≈5.1 eV) | KCNNs本征电子逸出困难,倾向作为电子供体911 |
(c)(d) | CPDs (100)晶面碳网络结构 | 较低功函数值(如≈4.3 eV) | CPDs的sp²碳域增强电子亲和力,作为电子受体9 |
(e)(f) | CPDs/KCNNs界面原子堆叠 | 界面功函数显著降低(如≈4.0 eV) | 异质结内建电场形成:电子从KCNNs→CPDs自发转移1011 |
过程 | 物理本质 | 对催化的影响 |
光生电荷分离 | KCNNs受光激发产生e⁻-h⁺对 | 电荷分离效率提升约70%(对比纯KCNNs) |
电子隧穿转移 | CPDs的离域π电子体系捕获e⁻ | 电子寿命延长>3倍(Fig.6b时间分辨PL验证) |
能带弯曲调控 | 界面形成内建电场(≈0.8 eV) | 电荷转移能垒降低(Fig.7功函数数据支撑) |
材料 | 吸附容量 | 机制解析 |
原始KCNNs | 较低(如≈12 cm³/g) | 依赖表面N空位物理吸附,结合能弱(≈0.25 eV) |
CPDs/KCNNs-2 | 显著提升(如≈45 cm³/g) | 协同吸附机制: |
波数 (cm⁻¹) | 归属基团 | 反应阶段 | 催化意义 |
2345 | 气相CO₂ | 反应初期 | 背景参照峰 |
1650 | *COOH吸附态 | 光照5 min | C–H键形成,质子耦合电子转移(PCET)启动 |
1550 | *CO⁻吸附态 | 光照20 min | C–O键断裂关键步骤 |
1395 | *CH₃O⁻ | 光照60 min | 深度还原产物生成 |
过程 | 功能单元 | 能带调控机制 |
光生电荷分离 | CPDs/KCNNs异质结 | Ⅱ型能带排列驱动e⁻富集于CPDs,h⁺富集于KCNNs |
CO₂吸附活化 | CPDs芳环 + K⁺位点 | 电子注入CO₂反键轨道(LUMO↓2.1→1.3 eV) |
多质子-电子转移 | 界面氢键网络 | h⁺氧化H₂O产生H⁺,经CPDs官能团传递至*CO₂ |
产物脱附 | 疏水性CPDs层 | 阻止*CH₃OH过度吸附,维持活性位点再生 |
区域 | 能带特性 | 催化功能 |
KCNNs 区域 | 价带(VB)位置较深(≈+1.8 eV vs. NHE),导带(CB)位于≈-1.2 eV15 | 强氧化性空穴(h⁺)氧化H₂O产生质子(H⁺)和O₂15 |
CPDs 区域 | 最低未占轨道(LUMO)≈-0.9 eV,最高占据轨道(HOMO)≈+1.5 eV46 | 富电子LUMO注入CO₂反键轨道,活化C=O键(*CO₂→*COOH)4 |
界面能带 | 形成Ⅱ型异质结:KCNNs的CB(-1.2 eV)→ CPDs的LUMO(-0.9 eV),ΔE=0.3 eV26 | 光生电子(e⁻)定向迁移至CPDs,空穴(h⁺)滞留KCNNs,抑制复合25 |
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