image: 原位XPS谱，暗态和光态下的TiO2， Ti 2p（a）和 O 1s（b）；（c）TOF-SIMS谱，在D2O和H218O的混合溶液中，不添加和添加甲醇作为空穴牺牲剂，分别在暗态和光态反应的TiO2，D的深度分析；（d）原位EPR谱，在氮气中分别暗态和光态下反应的TiO2；（e）TOF-SIMS谱，在D2O和H218O的混合溶液中，分别在暗态和光态下反应的TiO2， 18O的深度分析；（f）光态下TiO2的表面成分示意图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了南京大学现代与应用科学学院罗文俊教授的研究成果。在光催化和光电催化领域，固体表界面电荷传输机制的研究非常重要但存在广泛争议。尽管各种原位动态与高时空分辨实验表征技术被广泛用于确定固体表面结构与成分，但是在工作条件下固体表面通常是非晶的，且表面反应往往包含质子转移。固体表界面的组分、结构和厚度等也会随着所处环境的变化（如光、电、热或气氛）而发生非常快速的变化。这些导致各种表征技术只能观察到固体表界面在工况下的局部信息，而很难探测到其真实全貌。因此，建立新理论去理解工作条件下固体表界面结构与成分，能级位置和传输特性至关重要。
在该工作中，罗文俊教授课题组以 TiO2为研究模型，发现了光诱导半导体表面法拉第层的双极性特性，并通过原位XPS, 原位EPR, TOF-SIMS以及电化学方法等手段研究了法拉第层的组成成分和电位窗口。光照下，TiO2表面同时形成还原法拉第层（RFL）和氧化法拉第层（OFL）。研究还发现了还原法拉第层和氧化法拉第层在光催化及光电催化中的作用。在光催化中，还原法拉第层和氧化法拉第层起到了电荷传输媒介的作用。而在光电催化中，半导体本征法拉第层的双极性还是单极性则取决于电极电位。
此外，该课题组还提出采用电化学势作为固体表面结构与成分的简易描述符，其主要优点在于无需弄清固体表面精确的成分与结构，就可以理解界面电子离子耦合传输行为。类似于固体物理中引入动量空间描述电子态，无需测量电子的具体位置，就可以理解电子的传输行为。
研究详情请见原文：
Bipolarized Intrinsic Faradaic Layer on Semiconductor Surface under Illumination
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac249
Journal
National Science Review