关于光电催化实验中的量子产率与量子效率

上一期我们讲了光催化中的量子产率相关参数指标的描述，这一期我们将讲述的是光电催化研究中的光-电能量转化效率参数指标的描述。

光电催化实验中的量子效率

1.外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)亦称光电转化效率(Incident Photon-to-Current Efficiency, IPCE)^[1]：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：

j_ph：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）; 

P_mono：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，默认法拉第效率η为100%，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，而光电催化测量STH时不允许施加任何偏压。 

光电催化实验中的量子效率

2.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)^[1]：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。 

光电催化实验中的量子效率

3.外加偏压光电流下转化效率(Applied Bias Photon-to-current Efficiency, ABPE)^[1]：在一定偏压条件下，输入的太阳能转化为氢能的比例^[1]。区别于STH，ABPE是扣除电能贡献的能量转化效率。

V_redox：反应的热力学电势(V)，分解水反应中，Vredox=1.23 V； 

V_app：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； 

P_light：AM 1.5G标准太阳光谱的光功率密度（100 mW·cm^-2）。

以上内容就是光电催化研究中，常见的活性评价指标的量子产率定义与计算方法。 在光催化分解水研究中，我们最常用到的量子产率是AQY和STH。 在光电催化分解水研究中，最常用到的量子产率是IPCE和STH或ABPE。总而言之，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。

[1]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.