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【小妹课堂第三期】为您送上一份计算量子产率的攻略
2022-02-09

众所周知做实验需要计算量子产率,查阅文献后却发现文献中有量子产率QY、量子效率QE、表观量子产率AQY、表观量子效率AQE等各式专属名词。


小编脑子里出现了灵魂三连问:这些词是什么意思?我到底要用哪一个说明自己研究中的问题?怎么算出来的?


本文将系统的介绍文献中:量子产率、量子效率、表观量子产率AQY、表观量子效率AQE、外量子效率IPCE、内量子效率IQE等参数指标的计算方法及其区别。


                                            光化学中的产率和效率

1. 量子效率(Quantum Efficiency, QE)[1]:光化学反应速率与特定波长范围内吸收光子通量之比。计算公式如下:

qp:光子通量。

光子通量qp[2]:光源于单位时间间隔内所辐射的光子数,是波长λ的函数。

2. 量子产率(Quantum Yield, QY)[1]:反应体系在单色光激发下生成或消耗的分子数与吸收的光子数之比。计算公式如下:

3. 光子效率(Photonic Efficiency)[2]:在指定的时间间隔(通常是初始条件)内测量的光反应速率与特定波长范围内的入射光子通量之比。计算公式如下:

4.光子产率(Photonic Yield)[2]:在指定的时间间隔(通常是初始条件)内测量的光反应速率与单色光的入射光子通量之比。计算公式如下:

光子效率和光子产率中所强调的是“反应体系入射光子数”的概念,可以直接计算。而且,光子产率和光子效率特别强调“在指定的时间间隔(通常是初始条件)内进行测量”。


通过量子效率和光子效率的定义及公式中可以看出,“效率”强调的入射光是特定波长范围内的入射光,是连续光谱,在计算过程中,要对波长λ进行积分。


通过量子产率和光子产率的定义及公式中可以看出,“产率”强调的是入射光为单色光。

5.表观量子产率(Apparent Quantum Yield, AQY)[3]:反应体系在特定单色波长下,反应转移的电子数与入射光子数之比。

Ne:反应转移电子总数;

Np:入射光子数;

入射光子数Np[4]:在指定的时程Δt内,光子通量的时间积分,无量纲。

I:光功率密度(W·m-2);

A:入射光照面积(m2);

λ:入射光波长(nm);

t:时间(s);

h:普朗克常量(6.62×10-34 J·s);

c:光速(3.0×108 m·s-1)。

6.STH(Solar to Hydrogen)能量转化效率[1]:输入太阳能转化为氢能的效率。

以上部分是光催化中的光-电能量转化效率相关参数指标的描述,下面的内容是光电催化研究中的光-电能量转化效率参数指标的描述。

                                            光电化学中的效率

7.外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)亦称光电转化效率(Incident Photon-to-Current Efficiency, IPCE)[5]: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,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,而光电化学测量STH时不允许施加任何偏压。


8.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)[5]: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。

9.外加偏压光电流下转化效率(Applied Bias Photon-to-current Efficiency, ABPE)[5]:在一定偏压条件下,输入的太阳能与转化为氢能的比例[5]。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)。


以上内容就是光催化/光电催化研究中,常见的活性评价指标的定义与计算方法。


在光催化分解水研究中,我们常用到的是AQY和STH。在光电催化分解水研究中,常用到的是IPCE和STH或ABPE。


总结起来就是: 

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


以上内容信息均来自于文献和书籍,编者仅作整理,如有错误,还望及时指出!

参考文献

[1] Qureshi Muhammad, Takanabe Kazuhiro *, Insights on measuring and reporting heterogeneous photocatalysis: efficiency definitions and setup examples[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29, 158.

[2] Braslavsky Silvia E., Braun André M., Serpone Nick*, et. al., Glossary of terms used in photocatalysis and radiation catalysis (IUPAC Recommendations 2011)[J]. Pure and Applied Chemistry, 2011, 83, 931.

[3] Lin Huiwen, Chang Kun*, Ye Jinhua* et. al., Ultrafine nano 1T-MoS₂ monolayers with NiOx  as dual co-catalysts over TiO₂ photoharvester for efficient photocatalytic hydrogen evolution[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2020, 279, 119387.

[4] Zhong Tao, Yu Zebin*, Zou Binsuo*, et. al., Surface-activated Ti₃C₂Tx MXene cocatalyst assembled with CdZnS-formed 0D/2D CdZnS/Ti₃C₂-A40 Schottky heterojunction for enhanced photocatalytic hydrogen evolution [J]. Solar RRL, 2100863. DOI: 10.1002/solr.202100863.

[5] 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.


文章原创来源于泊菲莱网站,感谢泊菲莱科技对光催化行业所做出的贡献!



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