010-82930964 
编号：CYYJ04493
篇名：石墨相氮化碳纳米片的超快激子动力学研究
作者：郜天琦
关键词： 石墨相氮化碳; 飞秒瞬态吸收光谱; 时间分辨荧光光谱; 激子动力学; 俄歇复合;
机构： 黑龙江大学
摘要： 石墨相氮化碳（g-CN）作为一种新型非金属半导体材料,因其独特的层状结构、良好的化学稳定性和合适的带隙宽度（约2.7 eV）,在可见光光催化领域展现出巨大的应用潜力。g-CN纳米片的光催化性能长期受限于激子分离效率低的问题,因此,探究其超快激子动力学具有重要意义。本研究通过热缩聚策略合成了超薄的g-CN纳米片材料,并结合飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）与纳秒时间分辨荧光光谱（ns-TRPL）技术,系统解析了激子动力学过程。并基于电子和空穴双调控策略建立了界面激子解离机制,为光催化材料的激子动力学调控提供了实验基础。 首先,本研究通过可控热处理策略提升了g-CN晶体的结晶度,结合超快光谱解析技术,揭示了缺陷诱导的俄歇复合（Auger recombination）动力学过程。fs-TAS结果分析表明,g-CN基态漂白信号随激发密度呈现先增强后饱和的演化规律,证实其基态漂白（GSB）源于π轨道激子态跃迁的二重简并特性。通过复合速率方程对π轨道的激子复合动力学进行定量分析,解析出三种不同的激子去布居途径:单分子捕获、双分子复合和缺陷辅助俄歇复合。随着飞秒激光泵浦强度的增加,激子动力学呈非线性变化,揭示出在高激发密度下俄歇复合的主导地位。进一步地,我们发现高结晶度g-CN（TTCN）与原始g-CN（PCN）相比,俄歇复合系数降低了一个数量级,这主要归因于结晶性增强导致的缺陷态失活。 其次,通过水热法在g-CN纳米片上修饰了氰胺基团（SCN-）,获得了SCN-修饰的g-CN纳米片(NCNCN),随后在NCNCN纳米片上进一步负载镍金属酞菁分子（NiPc）,获得了NCNCN/NiPc纳米异质结光催化剂。在光催化析氢实验中,NCNCN/NiPc异质结体系的产氢速率达3.29 mmolg-1h-1,是TTCN的165倍。fs-TAS分析结果显示,NCNCN在负载NiPc分子后激发态的寿命显著降低,表明NCNCN/NiPc异质结体系具有高效的界面电子转移。在三乙醇胺（TEOA）存在的情况下,NCNCN的电子寿命从8.3增加至289μs,这主要归因于NCNCN与TEOA的有效连接导致的高效空穴消耗。进一步地,基于原位的电荷转移动力分析,我们发现优化后的NCNCN/NiPc异质结体系表面的电子转移效率高达96.9%。 总之,本研究结合fs-TAS与ns-TRPL光谱技术揭示了g-CN中缺陷态与激子动力学的内在关联,阐明了俄歇复合的主导条件,为g-CN中缺陷辅助的俄歇复合建立了一个全面的动力学框架。同时,开发出一种有效的激子分离策略,证实了SCN-基团修饰对g-CN材料光催化性能的显著提升作用。这些成果不仅深化了对g-CN光物理过程的理解,也为设计高性能光催化材料提供了重要指导。
