光催化技术有望解决未来能源和环境问题，助力完成国家“双碳”目标，其关键在于对高效光催化材料的研发。为此，开展材料光生电荷行为研究非常重要。然而，至今仍缺少此方面的专门书籍。本书注重从光物理和光化学两个角度系统全面介绍光生电荷行为的研究方法，包括稳/瞬态表面光物理技术、原位技术等先进前沿测试技术，并结合应用实例，从时间和空间分辨的角度揭示光生电荷转移及分离的动力学过程和明确相关技术的适用条件及分析方法。
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1.“纳米光催化材料的表面调控和异质结构建策略”荣获“2014年度黑龙江省科学技术奖（自然科学类） 一等奖”，第二完成人。
“新型纳米结构材料的设计合成及其光电性质研究”荣获“2007年度黑龙江省科学技术奖（自然科学类） 一等奖”，第一完成人。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 半导体物理基础 1
1.1.1 半导体能带理论 1
1.1.2 杂质和缺陷能级 5
1.1.3 半导体的费米能级及载流子浓度 9
1.1.4 半导体异质结 12
1.2 光催化概论 14
1.2.1 光催化基本原理 14
1.2.2 半导体光催化技术应用 16
1.3 光生电荷行为 24
1.3.1 光生电荷的物理行为 24
1.3.2 光生电荷的化学行为 25
1.4 本书主要内容 26
参考文献 27
第2章 表面光电压谱 31
2.1 表面光电压谱的基本原理 32
2.1.1 半导体能带弯曲 32
2.1.2 表面光电压信号的产生 34
2.2 表面光电压谱测试系统 37
2.2.1 稳态表面光电压谱 37
2.2.2 瞬态表面光电压谱 38
2.3 表面光电压谱的主要应用 39
2.3.1 基于促进氧气吸附而调控光生电子的应用 39
2.3.2 基于表面极化而调控光生空穴的应用 44
2.3.3 基于引入适当能级平台调控可见光生电子的应用 47
2.3.4 基于改善Z型电荷转移调控光生电荷分离的应用 50
2.4 小结和展望 52
参考文献 53
第3章 瞬态吸收光谱 57
3.1 瞬态吸收光谱的基本原理 58
3.2 瞬态吸收光谱测试系统 60
3.2.1 微秒瞬态吸收光谱 60
3.2.2 飞秒瞬态吸收光谱 61
3.3 瞬态吸收光谱动力学解析 63
3.3.1 动力学时域分布 63
3.3.2 动力学过程分析 64
3.4 瞬态吸收光谱的主要应用 69
3.4.1 金属氧化物光生电荷性质 69
3.4.2 金属氧化物光生电荷转移动力学 72
3.4.3 有机高分子材料光生电荷性质 74
3.4.4 有机高分子材料光生电荷转移动力学 79
3.5 小结和展望 84
参考文献 85
第4章 荧光光谱 91
4.1 荧光光谱基本原理 92
4.1.1 稳态荧光光谱的原理 92
4.1.2 时间分辨瞬态荧光光谱的原理 94
4.2 荧光光谱的测试系统 95
4.2.1 稳态荧光光谱的测试系统 95
4.2.2 瞬态荧光光谱的测试系统 96
4.3 荧光光谱技术在光催化领域的应用 98
4.3.1 稳态荧光光谱直接反映光生电荷分离 98
4.3.2 稳态荧光光谱间接反映光生电荷分离 99
4.3.3 瞬态荧光光谱反映光生电荷分离 103
4.4 小结和展望 106
参考文献 106
第5章 原位辐照X射线光电子能谱 108
5.1 原位辐照XPS技术的基本原理和测试装置 109
5.1.1 基本原理 109
5.1.2 测试装置 110
5.2 原位辐照XPS方法的应用 111
5.2.1 揭示单一光催化剂的电荷分离行为 112
5.2.2 揭示常规异质结光催化剂的电荷转移行为 113
5.2.3 揭示Z（S）型异质结的电荷转移机制 115
5.3 小结和展望 121
参考文献 121
第6章 开尔文探针力显微镜 124
6.1 基本原理及测试系统 124
6.2 KPFM方法在光催化材料研究中的应用 126
6.2.1 研究单体材料形态结构和晶面特征对电荷分离的影响 127
6.2.2 研究Z型异质结复合体的界面电荷转移 128
6.2.3 研究光生载流子在光电催化体系中的迁移行为 132
6.3 小结和展望 133
参考文献 134
第7章 光电化学方法 136
7.1 基本原理及测试模式 136
7.1.1 基本原理 136
7.1.2 测试模式 137
7.2 应用实例 138
7.2.1 利用光电流曲线测试分析材料体系的光生电荷转移与分离性质 138
7.2.2 利用光电流作用谱对异质结体系光生电荷转移机制验证 144
7.3 小结和展望 149
参考文献 150
第8章 电子顺磁共振波谱 152
8.1 EPR技术的基本原理 152
8.2 EPR技术的研究对象 154
8.3 测试系统及测量方法 155
8.3.1 EPR测试系统 155
8.3.2 自旋捕获技术 156
8.4 EPR技术在光催化剂电荷分离研究中的应用 157
8.4.1 基于缺陷检测的光生电荷分离研究 157
8.4.2 基于顺磁性离子检测的光生电荷分离研究 159
8.4.3 基于自由基检测的光生电荷分离研究 163
8.5 小结和展望 167
参考文献 168
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