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Photobase effect in carbon dot based photocatalysis
Photobase effect in carbon dot based photocatalysis
Photocatalytic water splitting is a promising strategy for low-cost, sustainable production of hydrogen by utilizing solar energy. Photocatalysts based on organic materials have garnered increasing interest mainly due to the easily tunable electronic structures. Metal-free carbon dots (CDs) are the focus material in this thesis. The unique organic photophysics, including photoinduced proton transfer and long-lifetime excited triplet states, is investigated by time-integrated and time-resolved optical spectroscopy, and applied to photocatalytic water splitting. Photocatalysis is a complex multi-step process, limited by the slowest step. Generally, proton transfer is the rate-limiting step (~μs). Some organic molecules (photobases) have higher proton affinity in the excited state, suggesting the proton transfer can be manipulated by light. The photoinduced proton transfer is called photobase effect. This organic photophysical property is utilized in photocatalysis for the first time, and two systems were developed: 1) a non-photobasic CD/photobasic molecule hybrid system, 2) intrinsically photobasic CDs. It is shown that the model photobasic molecule, acridine, can abstract a proton from water in the excited state within 30 ps probed by transient absorption spectroscopy. It enables swift proton-coupled electron transfer from CDs to acridine, which can reduce the timescale discrepancy between proton diffusion and electron migration. The H2 generation rate has been dramatically improved where the photobase effect can manifest itself. The intrinsically photobasic CDs can even pull the proton within 10 ps and are proved to be an efficient photocatalyst. The photobase effect can explain why CDs work as photocatalysts. Interestingly, my discovery of stimulated emission in the photobasic CDs can possibly extend the application to the area of excimer laser. The lifetime of excited states is decisive to photocatalytic performance, suggesting the long-lived triplet states (>μs) can be beneficial to photocatalysis. Herein metal-free phosphorescent CDs have been developed. An intersystem crossing inhibitor is employed to control the population of triplet states. It is demonstrated that the quantum yield of excited triplet states is reduced while that of the excited singlet states remain almost unchanged. The correlation between the quenched phosphorescence and dramatically reduced photocatalytic activity indicates that excited triplet states contribute to photocatalytic performance. The work paves the way to design organic phosphorescent materials for photocatalysis. The thesis demonstrates that the photobase effect and long-lived triplet states can be applied to photocatalytic hydrogen generation after being investigated by optical spectroscopy. The work can pave the way to the design efficient photocatalysts based on organic materials and improve the photocatalytic efficiently., Die photokatalytische Wasserspaltung ist eine vielversprechende Strategie zur direkten Nutzung von Sonnenenergie für eine kostengünstige und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff. Photokatalysatoren, die auf organischen Materialien basieren, haben vor allem aufgrund ihrer leicht einstellbaren elektronischen Strukturen zunehmendes Interesse erlangt. Diese Arbeit behandelt in Speziellen metallfreie Kohlenstoffquantenpunkte (CDs). Einzigartige organische photophysikalische Effekte, einschließlich des photoinduzierten Protonentransfers und der langlebigen angeregten Triplett-Zustände, werden mittels zeitintegrierter und zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht und auf die photokatalytische Wasserspaltung angewendet. Photokatalyse ist ein komplexer mehrstufiger Prozess, dessen Effizienz durch den langsamsten zugrundeliegenden Prozess begrenzt wird. Im Allgemeinen ist der Protonentransfer der ratenlimitierende Schritt (~μs). Einige organische Moleküle (Photobasen) haben eine höhere Protonenaffinität im angeregten Zustand als in ihrem Grundzustand, was darauf hindeutet, dass der Protonentransfer durch Licht manipuliert werden kann. Der photoinduzierte Protonentransfer wird als Photobaseneffekt bezeichnet. Diese organische photophysikalische Eigenschaft wird zum ersten Mal in der Photokatalyse genutzt, und es wurden zwei Systeme entwickelt: 1) ein nicht-photobasisches CD/photobasisches Molekül-Hybridsystem und 2) intrinsisch photobasische CDs. Es wird gezeigt, dass das photobasische Molekül, Acridin, innerhalb von 30 ps ein Proton aus Wasser im angeregten Zustand aufnehmen kann, was durch zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie nachgewiesen wird. Dies ermöglicht einen schnellen protonengekoppelten Elektronentransfer von CDs zu Acridin, wodurch die zeitliche Diskrepanz zwischen Protonendiffusion und Elektronenmigration reduziert werden kann. Die H2-Erzeugungsrate wurde durch die Ausnutzung des Photobaseneffekts drastisch verbessert. Die intrinsisch photobasischen CDs können das Proton sogar innerhalb von 10 ps binden und erweisen sich als effiziente Photokatalysatoren. Der Photobaseneffekt erklärt, warum CDs als Photokatalysatoren funktionieren. Interessanterweise kann meine Entdeckung der stimulierten Emission in den photobasischen CDs möglicherweise zu gänzlich neuen zukünftigen Anwendungen in Exzimer-Lasern führen. Die Lebensdauer der angeregten Zustände ist entscheidend für die photokatalytische Effizienz, was darauf hindeutet, dass die langlebigen Triplett-Zustände (>μs) für die Photokatalyse von Vorteil sein können. Hierfür wurden metallfreie phosphoreszierende CDs entwickelt. Ein Interkombinationsinhibitor wird eingesetzt, um die Besetzung der Triplett-Zustände zu kontrollieren. Es wird gezeigt, dass die Quantenausbeute der angeregten Triplett-Zustände reduziert wird, während die der angeregten Singulett-Zustände nahezu unverändert bleibt. Die Korrelation zwischen der ausgelöschten Phosphoreszenz und der stark reduzierten photokatalytischen Aktivität zeigt, dass angeregte Triplett-Zustände substantiell zur Photokatalyse beitragen. Die Arbeit ebnet den Weg zum Design organischer phosphoreszierender Materialien für die Photokatalyse. Die Arbeit zeigt mithilfe von Untersuchungen mittels optischer Spektroskopie, dass der Photobaseneffekt und die langlebigen Triplett-Zustände für die photokatalytische Wasserstofferzeugung genutzt werden können. Die Arbeit schafft wichtiges Verständnis aufgrund dessen effiziente Photokatalysatoren auf der Basis organischer Materialien designt und deren photokatalytische Effizienzen optimiert werden können.
Photocatalysis, carbon dots, photobase, ultrasfast spectroscopy, transient absorption spectroscopy, photon induced proton transfer
Fang, Jiawen
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Fang, Jiawen (2021): Photobase effect in carbon dot based photocatalysis. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Photocatalytic water splitting is a promising strategy for low-cost, sustainable production of hydrogen by utilizing solar energy. Photocatalysts based on organic materials have garnered increasing interest mainly due to the easily tunable electronic structures. Metal-free carbon dots (CDs) are the focus material in this thesis. The unique organic photophysics, including photoinduced proton transfer and long-lifetime excited triplet states, is investigated by time-integrated and time-resolved optical spectroscopy, and applied to photocatalytic water splitting. Photocatalysis is a complex multi-step process, limited by the slowest step. Generally, proton transfer is the rate-limiting step (~μs). Some organic molecules (photobases) have higher proton affinity in the excited state, suggesting the proton transfer can be manipulated by light. The photoinduced proton transfer is called photobase effect. This organic photophysical property is utilized in photocatalysis for the first time, and two systems were developed: 1) a non-photobasic CD/photobasic molecule hybrid system, 2) intrinsically photobasic CDs. It is shown that the model photobasic molecule, acridine, can abstract a proton from water in the excited state within 30 ps probed by transient absorption spectroscopy. It enables swift proton-coupled electron transfer from CDs to acridine, which can reduce the timescale discrepancy between proton diffusion and electron migration. The H2 generation rate has been dramatically improved where the photobase effect can manifest itself. The intrinsically photobasic CDs can even pull the proton within 10 ps and are proved to be an efficient photocatalyst. The photobase effect can explain why CDs work as photocatalysts. Interestingly, my discovery of stimulated emission in the photobasic CDs can possibly extend the application to the area of excimer laser. The lifetime of excited states is decisive to photocatalytic performance, suggesting the long-lived triplet states (>μs) can be beneficial to photocatalysis. Herein metal-free phosphorescent CDs have been developed. An intersystem crossing inhibitor is employed to control the population of triplet states. It is demonstrated that the quantum yield of excited triplet states is reduced while that of the excited singlet states remain almost unchanged. The correlation between the quenched phosphorescence and dramatically reduced photocatalytic activity indicates that excited triplet states contribute to photocatalytic performance. The work paves the way to design organic phosphorescent materials for photocatalysis. The thesis demonstrates that the photobase effect and long-lived triplet states can be applied to photocatalytic hydrogen generation after being investigated by optical spectroscopy. The work can pave the way to the design efficient photocatalysts based on organic materials and improve the photocatalytic efficiently.

Abstract

Die photokatalytische Wasserspaltung ist eine vielversprechende Strategie zur direkten Nutzung von Sonnenenergie für eine kostengünstige und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff. Photokatalysatoren, die auf organischen Materialien basieren, haben vor allem aufgrund ihrer leicht einstellbaren elektronischen Strukturen zunehmendes Interesse erlangt. Diese Arbeit behandelt in Speziellen metallfreie Kohlenstoffquantenpunkte (CDs). Einzigartige organische photophysikalische Effekte, einschließlich des photoinduzierten Protonentransfers und der langlebigen angeregten Triplett-Zustände, werden mittels zeitintegrierter und zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht und auf die photokatalytische Wasserspaltung angewendet. Photokatalyse ist ein komplexer mehrstufiger Prozess, dessen Effizienz durch den langsamsten zugrundeliegenden Prozess begrenzt wird. Im Allgemeinen ist der Protonentransfer der ratenlimitierende Schritt (~μs). Einige organische Moleküle (Photobasen) haben eine höhere Protonenaffinität im angeregten Zustand als in ihrem Grundzustand, was darauf hindeutet, dass der Protonentransfer durch Licht manipuliert werden kann. Der photoinduzierte Protonentransfer wird als Photobaseneffekt bezeichnet. Diese organische photophysikalische Eigenschaft wird zum ersten Mal in der Photokatalyse genutzt, und es wurden zwei Systeme entwickelt: 1) ein nicht-photobasisches CD/photobasisches Molekül-Hybridsystem und 2) intrinsisch photobasische CDs. Es wird gezeigt, dass das photobasische Molekül, Acridin, innerhalb von 30 ps ein Proton aus Wasser im angeregten Zustand aufnehmen kann, was durch zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie nachgewiesen wird. Dies ermöglicht einen schnellen protonengekoppelten Elektronentransfer von CDs zu Acridin, wodurch die zeitliche Diskrepanz zwischen Protonendiffusion und Elektronenmigration reduziert werden kann. Die H2-Erzeugungsrate wurde durch die Ausnutzung des Photobaseneffekts drastisch verbessert. Die intrinsisch photobasischen CDs können das Proton sogar innerhalb von 10 ps binden und erweisen sich als effiziente Photokatalysatoren. Der Photobaseneffekt erklärt, warum CDs als Photokatalysatoren funktionieren. Interessanterweise kann meine Entdeckung der stimulierten Emission in den photobasischen CDs möglicherweise zu gänzlich neuen zukünftigen Anwendungen in Exzimer-Lasern führen. Die Lebensdauer der angeregten Zustände ist entscheidend für die photokatalytische Effizienz, was darauf hindeutet, dass die langlebigen Triplett-Zustände (>μs) für die Photokatalyse von Vorteil sein können. Hierfür wurden metallfreie phosphoreszierende CDs entwickelt. Ein Interkombinationsinhibitor wird eingesetzt, um die Besetzung der Triplett-Zustände zu kontrollieren. Es wird gezeigt, dass die Quantenausbeute der angeregten Triplett-Zustände reduziert wird, während die der angeregten Singulett-Zustände nahezu unverändert bleibt. Die Korrelation zwischen der ausgelöschten Phosphoreszenz und der stark reduzierten photokatalytischen Aktivität zeigt, dass angeregte Triplett-Zustände substantiell zur Photokatalyse beitragen. Die Arbeit ebnet den Weg zum Design organischer phosphoreszierender Materialien für die Photokatalyse. Die Arbeit zeigt mithilfe von Untersuchungen mittels optischer Spektroskopie, dass der Photobaseneffekt und die langlebigen Triplett-Zustände für die photokatalytische Wasserstofferzeugung genutzt werden können. Die Arbeit schafft wichtiges Verständnis aufgrund dessen effiziente Photokatalysatoren auf der Basis organischer Materialien designt und deren photokatalytische Effizienzen optimiert werden können.