Operando Imaging of Polaron-Mediated Charge Transfer across the Electric Double Layer of BiVO 4

化学 激子 电场 化学物理 电子 电荷(物理) 极化子 光催化 载流子 纳米尺度 电子转移 电子传输链 静电学 分子物理学 超短脉冲 电荷 非平衡态热力学 粒子(生态学) 氧气 机制(生物学) 光电子学 纳米技术 双层(生物学) 耗尽区 领域(数学) 电势能 俘获 原子物理学 氧化物 纳米结构 部分电荷 催化作用 重组 化学能
作者
Qian Li,L. Wang,Jinzhong Zhang,Thomas Dittrich,Chenwei Ni,Ye Yang,Jianfeng Zhao,Junhao Cui,Can Li,Fengtao Fan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (52): 47954-47962
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11706
摘要

Unraveling the interfacial dynamics of photogenerated charges at active sites is fundamental to advancing photocatalysis and related solar energy conversion systems. However, direct observation of the charge behavior within the electric double layer (EDL) under working conditions remains a major challenge. Here, we investigate nanoscale charge dynamics on a single BiVO4 particle model system by directly visualizing light-induced charge distribution within the EDL using a combination of spatially and temporally resolved techniques. Our findings reveal that oxygen vacancies stabilize the coexistence of localized electrons and holes, efficiently driving photocatalytic oxidation and reduction reactions between adjacent atoms. Moreover, defect-induced small polaron formation is shown to suppress ultrafast exciton recombination, extending hole lifetimes to 32 ms from subnanoseconds. Simultaneously, photogenerated electrons are effectively extracted by Fe3+ at the interface, overriding the influence of the net internal electric field and preventing their migration into the bulk. This study elucidates a synergistic mechanism involving reaction-driven electron transport and defect-assisted small-polaron-mediated oxygen evolution. This mechanism challenges the traditional mean-field electrostatic model of interfacial charge transport and highlights the critical role of localized charges for understanding how catalytic reactions reshape charge flow at solid-liquid interfaces. Our findings open avenues for the rational design of defect-engineered photocatalysts and operando-responsive materials in solar-to-chemical energy conversion.
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