关于光电催化实验中的量子产率与量子效率
上一期我们讲了光催化中的量子产率相关参数指标的描述,这一期我们将讲述的是光电催化研究中的光-电能量转化效率参数指标的描述。
光电催化实验中的量子效率
1.外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)亦称光电转化效率(Incident Photon-to-Current Efficiency, IPCE)[1]:特定波长入射光子产生的电子数与入射光子数的比例,本质上是光子效率。计算公式如下:
jph:光电流密度(mA·cm-2),通过计时电流法(恒电位)测得;
h:普朗克常量(6.62×10-34 J·s);
c:光速(3.0×108 m·s-1);
e:单个电子所携带的电量(1.6×10-19 C);
Pmono:单色光的光功率密度(mW·cm-2);
λ:单色光波长。
需注意的是,在IPCE/EQE的计算中,默认法拉第效率η为100%,即产生的所有光生电子全部用于目标产物的生成。IPCE的测量过程中允许施加偏压,而光电催化测量STH时不允许施加任何偏压。
光电催化实验中的量子效率
2.内量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)亦称吸收光电转化效率(Absorbed Photon-to-Current Efficiency, APCE)[1]:特定波长的入射光子产生的电子数与所吸收光子数的比例,本质上是量子效率。计算公式如下:
A:反应体系的吸光度。
EQE/IPCE和IQE/APCE主要针对于光电催化研究。与光子效率和量子效率类似,EQE/IPCE强调“入射光”的概念,而IQE/APCE强调“吸收光”,EQE/IPCE可直接计算。
光电催化实验中的量子效率
3.外加偏压光电流下转化效率(Applied Bias Photon-to-current Efficiency, ABPE)[1]:在一定偏压条件下,输入的太阳能转化为氢能的比例[1]。区别于STH,ABPE是扣除电能贡献的能量转化效率。
Vredox:反应的热力学电势(V),分解水反应中,Vredox=1.23 V;
Vapp:两电极体系中,相对于对电极的外加偏压(V),应小于1.23 V;
ηF:生成H2的法拉第效率;
Plight:AM 1.5G标准太阳光谱的光功率密度(100 mW·cm-2)。
以上内容就是光电催化研究中,常见的活性评价指标的量子产率定义与计算方法。 在光催化分解水研究中,我们最常用到的量子产率是AQY和STH。 在光电催化分解水研究中,最常用到的量子产率是IPCE和STH或ABPE。总而言之,效率强调特定波长的入射光; 产率强调单色光; EQE/IPCE强调入射光; IQE/APCE强调吸收光。
[1]Chen Zhebo, Deutsch Todd G., Jaramillo Thomas F.* et. al., Accelerating materials development for photoelectrochemical hydrogen production: Standards for methods, definitions, and reporting protocols[J]. Journal of Materials Research, 2010, 25, 3.
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