催化剂尺寸：光催化性能调控机理！
催化剂尺寸：光催化性能调控机理！
催化剂的尺寸对光催化性能具有显著影响。一般来说，纳米尺度范围的催化剂材料相比微米尺度或体相材料展现出更优的光催化性能。以下是关于催化剂尺寸与光催化性能关系的详细解释：
尺寸效应
纳米尺度的半导体光催化材料会产生量子尺寸效应。这种效应导致材料的禁带宽度变宽，使得光生电子和空穴的能量增加，从而增强了其氧化还原能力。这有利于提高材料的光催化活性，使得纳米尺度的催化剂在光催化反应中表现出更高的效率。
电荷分离与迁移
当催化剂的尺寸减小至纳米尺度时，光生电子和空穴从催化剂内部迁移到表面的距离会显著减少。这降低了电子和空穴在迁移过程中的复合几率，提高了它们的分离效率。同时，纳米颗粒的粒径通常小于空间电荷层的厚度，使得光生电子与空穴可以通过扩散直接从颗粒内部迁移到表面发生氧化或还原反应。
比表面积与反应活性位
纳米尺度的催化剂具有更大的比表面积，这意味着单位体积内可以分散更多的催化剂颗粒。大的比表面积不仅增加了催化剂与反应物的接触面积，还有利于提供更多的反应活性位。这些活性位是光催化反应中的关键位置，它们可以促进反应物的吸附和转化，从而进一步提高光催化性能。
综上所述，催化剂的尺寸对光催化性能具有重要影响。通过减小催化剂的尺寸至纳米尺度，可以显著提高其光催化活性。这主要得益于量子尺寸效应、电荷分离与迁移效率的提高和比表面积的增加。因此，在光催化剂的设计和制备过程中，应充分考虑尺寸效应对性能的影响，以获得具有优异光催化性能的材料。
案例分析
催化剂的尺寸对光催化性能有显著影响，主要体现在以下几个方面：
电荷分离效率
催化剂的尺寸影响电荷分离效率，即电子空穴对的分离效率。例如，Pt催化剂的尺寸从0.7±0.3nm增加到3.0±0.8nm，导致CdS-Pt纳米棒光催化剂的电荷分离效率从0.5±0.2%增加到38.3±5.1%，增加了近2个数量级。
图2。使用CdS−PtNRs进行光驱动生成H2。(A)光驱动生成H2示意图。(B)不同Pt尺寸CdS-PtNR样品的光驱动的H2产生量随光照时间的函数。(C)光驱动产生H2的内部量子效率QEH2随Pt尺寸的函数。
DOI: 10.1021/jacs.1c11745
光催化产氢性能
通过设计具有不同尺寸的CuSe@CdS复合材料，研究发现尺寸效应对光催化产氢性能有显著影响。例如，Cuse中空纳米立方体的尺寸增加，其近红外吸收强度逐渐增强，这归因于尺寸变化引起的LSPR效应的变化。尺寸调控提供了强大的驱动力、丰富的活性位点和可观的比表面积，具有显著的导带电位。
Doi: 10.1039/D3NR06588J
光催化CO2还原性能
在光催化CO2还原制CH4的情况下，Pt助剂的尺寸调控对光催化性能有显著影响。例如，Pt颗粒尺寸为1.35 nm时，催化剂的甲烷收率最高（71.9 mmol/(gh)），且没有检测到H2的生成，CH4的选择性为81.69%。
Doi: 10.1016/S1872-5813(24)60472-X
综上所述，催化剂的尺寸对光催化性能有着直接和重要的影响，通过调控催化剂的尺寸，可以优化光催化反应的效率和选择性。