二維光催化材料的范德華外延生長及其構-效關係研究

《二維光催化材料的范德華外延生長及其構-效關係研究》是依託浙江大學，由張興旺擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：二維光催化材料的范德華外延生長及其構-效關係研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：張興旺
• 項目類別：面上項目

項目摘要

基於半導體材料（如TiO2）的光催化技術，具有對污染物礦化徹底、反應條件溫和的特點，是極具套用前景的環境污染治理技術。然而，可見光回響型高效光催化劑的製備長期困擾著科學界。過渡金屬硫族化合物（TMDs）是具有類似石墨烯結構的窄帶隙光催化材料，而且其異質結構複合材料具有帶隙可調、載流子分離效率高的特點。基於TMDs二維層狀結構和表面無懸掛鍵的特性，本課題提出基於范德華外延製備TMDs複合材料, 將其作為敏化劑修飾TiO2納米板。通過調控TMDs異質結構的能帶匹配，TMDs光生電子的多級躍遷導致載流子有效分離，促進光生電子向TiO2的有效躍遷，有望獲得高量子效率的可見光回響型TMDs/ TiO2光催化劑。以五氯酚為模擬污染物，研究催化劑對污染物的降解動力學，藉助光譜分析、光電催化實驗和理論計算，獲得材料電子結構與性能間的構效關係。本項目的開展將為可見光催化技術提供新材料和新思路。

結題摘要

光電催化系統的效率取決於吸光效率、載流子分離效率、催化效率三者的耦合，本課題提出製備新型過渡金屬二維材料、構建半導體異質結構來提升光電催化系統的效率。本研究構建了TiO2-CdSe、TiO2-CdS異質結構，有效改善TiO2吸光能力和光催化性能（光電流提高4倍），進一步提出炭膜保護提高半導體穩定性的新策略，加速光生載流子的傳遞和分離，提高載流子利用效率，有效避免了光腐蝕問題；開發了一系列新型二維納米材料，並構建了一系列異質結構。採用硫化的方法合成了金屬硫族化合物NiS2二維納米片、揭示了其微觀結構和構效關係；合成了Ni-S-O二維納米片，該類材料不僅具有優異的催化能力，而且具有良好的透光性，促進了光催化動力學同時對於半導體吸光沒有影響；開發了CoFe-OH二維納米片光電沉積製備新方法，納米片厚度僅為2-4 nm，該方法溫和，構建了“半導體-催化劑”核殼結構的光電催化電極，具有高質量的界面，避免在半導體-催化劑界面產生缺陷，減少光生載流子在界面的複合，提高量子效率，從而有效提高光電催化效率。藉助GC-MS技術，揭示了氯酚氧化降解的機理，即羥基自由基脫氯形成苯酚然後形成苯醌，開環反應生成脂肪族羧酸，最終礦化為小分子的有機酸，二氧化碳和水。本研究的開展對於光催化、二維材料等領域具有一定的借鑑意義。本課題發表SCI論文7篇，其中1%ESI高被引論文一篇，申請專利3項，培養研究生4名。