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光电催化中光电极/溶液界面电荷转移的阻抗谱分析方法
发布时间:2026-07-07    浏览量:583

光电催化中,光生电荷从电极内部迁移至表面,跨过固/液界面进入溶液参与反应,是决定整体效率的关键步骤。电化学阻抗谱(EIS)可在工作条件下解析电荷在体相、空间电荷层及表面/溶液界面的传输与复合,是研究界面电荷转移的有力工具。

一、EIS测试原理

EIS通过在电极上施加小振幅交流电压(通常5-10mV),测量不同频率下的阻抗响应。频率范围通常从10⁵Hz到10⁻²Hz,涵盖从电荷传输(高频)到扩散过程(低频)的完整时间尺度。

二、等效电路模型

光电极的典型等效电路包括:

  • Rs:溶液电阻(高频截距)。

  • Rct:界面电荷转移电阻(中频弧直径),反映电荷从电极表面转移至电解液的难易程度。

  • Cdl:双电层电容(与Rct并联)。

  • Rbulk:体相电阻(与Cbulk并联),反映载流子在电极内部的传输。

  • W:Warburg扩散阻抗(低频斜线),反映反应物在溶液中的扩散。

光照下,Rct通常显著降低,表明光生载流子促进了界面电荷转移。

三、Mott-Schottky分析

在空间电荷区,半导体/电解液界面的电容(C)与电位(E)的关系遵循Mott-Schottky方程。通过测量不同电位下的电容,绘制1/C²-E曲线:

  • 斜率为正→n型半导体;斜率为负→p型半导体。

  • 截距→平带电位(对应于导带/价带位置)。

  • 斜率→载流子密度。

四、应用案例:助催化剂效果评价

在BiVO₄光阳极上负载Co-Pi助催化剂后,EIS显示Rct从2500Ω降至800Ω(1.23V vs RHE),表明界面电荷转移显著加速。Mott-Schottky分析显示平带电位负移0.1V,有利于空穴向表面迁移。

北京中教金源科技有限公司的光电化学测试平台,集成电化学工作站和光源系统,支持EIS、Mott-Schottky等多种测试模式。


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