近日，我院谢毅教授团队在半导体光催化剂激子效应的研究中取得了新进展。研究人员报道了结构限域效应在设计激子材料中的重要作用，并通过晶面工程实现了材料的激子过程调控及其光催化性能优化。研究成果以“Giant Electron–Hole Interactions in Confined Layered Structures for Molecular Oxygen Activation”为题发表于重要化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b12273）。
长期以来，半导体光催化剂以其在解决能源危机和环境污染方面的应用前景而受到了广泛关注。到目前为止，对半导体材料中载流子过程调控，包括能带结构设计和电荷分离优化等，一直被认为是设计高效光催化剂的有效手段。然而，一旦考虑到电子–空穴的强相互作用，潜在的激子过程将成为深入理解材料光催化机制、提升材料光催化性能的重要制约因素。因此，设计强激子效应材料并探索其中电子–空穴相互作用对其光催化性能的影响尤为重要。以卤化氧铋材料为例，研究人员指出其独特的层状限域结构将会利于激子的形成，从而影响光催化过程。
理论模拟显示，材料中铋原子同时对导带边和价带边电荷密度具有较强的贡献，这意味着在铋原子位置有强烈的电子–空穴相互作用；同时卤素层中较强的局域价电子则利于降低材料的电子屏蔽效应，有助于激子的产生，这一结果预示可通过推测晶面工程实现材料激子过程及其光催化性能的调控。以BiOBr为例，谱学结果显示具有强限域作用的[001]取向样品较相应[010]取向样品具有更强的多体效应和更高的激子浓度。进一步的活化氧测试显示，{001}晶面利于单线态生成，同时能够抑制过氧化氢的产生。得益于此，{001}晶面较{010}晶面在硫醚选择性氧化反应中具有明显提升的选择性和转化率。该工作不仅为深入理解激子效应在光催化过程中的作用提供指导，同时还为设计具有强激子效应无机半导体材料指明了新方向。
卤化氧铋激子过程示意图
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