《半導體缺陷在光催化過程中的作用研究》是依託中山大學，由石建英擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：半導體缺陷在光催化過程中的作用研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：石建英
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
半導體光催化是太陽能利用的有效途徑之一。半導體內固有的缺陷影響到載流子分離、遷移、複合等動力學過程，位於表面的缺陷還影響到反應分子在催化劑表面的吸附。缺陷的種類和數量直接關係到載流子的利用效率，決定了光催化量子效率的高低。因此，揭示缺陷的物理化學本質，認識其在光催化過程中的作用，對於提高量子效率有著重要意義。前期研究表明：ZnxCd1-xS中缺陷的存在促進了光催化過程中載流子的分離。在此基礎上，本項目通過控制合成條件，調變ZnxCd1-xS缺陷的種類和濃度；基於光致發光和光催化兩個過程中電荷產生、遷移、複合的本質聯繫，套用光致發光光譜揭示缺陷的物理化學本質以及缺陷對載流子動力學的影響規律；採用原位發光光譜研究缺陷與反應分子的相互作用，最終揭示缺陷在光催化分解水反應中的作用。本項目的研究將為認識光催化機理、設計高效半導體光催化劑、提高光催化量子效率提供理論依據，具有重要理論意義和套用價值。
結題摘要
本項目針對光催化反應量子效率低的問題，通過控制半導體光催化劑的缺陷類型和數目，調控半導體/多孔碳複合光催化劑的孔道結構，以及構築具有異質結構的複合催化劑等策略，促進了光生載流子的分離，最終實現了光催化分解水/光催化降解有機污染物性能的提高。（1）通過使用不同的鉍源，在鈣鈦礦型NaTaO3的A位摻雜入不同價態的鉍離子以及與之相關的缺陷位；鉍離子的引入致使Ta-O-Ta鍵角偏離180度，而不利於載流子的傳輸，但與之相關的缺陷位能夠作為載流子的捕獲阱促進載流子的分離；對於三價鉍離子的摻雜，上述兩種作用相互抵消，其光催化產氫性能與NaTaO3相近；而同時具有三價和五價鉍離子摻雜的NaTaO3，具有更高濃度的缺陷態用以保持電荷平衡，其載流子的分離作用克服了八面體變形所引起的載流子傳輸障礙，並顯著提高了NaTaO3的光催化產氫性能。因此，在鈣鈦礦結構中進行A位高價離子的摻雜，是在催化劑中引入高濃度缺陷位，促進光生載流子分離的有效途徑。（2）將半導體氧化鈦負載於多孔碳載體上，通過碳載體孔徑的選擇，獲得了氧化鈦分散在孔道內部的具有二次孔道結構的催化劑；該催化劑親水的孔道和光生載流子通過碳載體向孔道內部的傳輸促進了活性羥基自由基在孔道內部的產生；而其二次孔道的空間限域效應穩定了活性中間物種，最終實現了有機污染物的高效光催化降解。本研究提供了一種具有空間上分離光生電子和空穴的高效光催化劑的設計策略。（3）採用高溫氮化和電化學沉積法獲得了穩定的、高光電流密度的TiN0.3/CeO2光陽極材料；該材料異質界面的存在促進了光生電子向TiN0.3的流動，位於界面處的Ce3+離子對光生空穴的消耗進一步促進了載流子的分離；而光陽極與電解液界面處Ce3+作為水分子吸附與活化的活性位點，促進了界面處水氧化反應的發生，進而進一步提高了光電流密度的大小和穩定。（4）利用超快光譜手段進行了金納米簇能級結構以及激發態弛豫動力學的研究，提出了納米金簇的能級結構模型和動力學弛豫的機理，有利於納米金簇在光催化和光電轉換過程中的套用。本項目的研究成果為認識光催化機理、設計高效半導體光催化劑、提高光催化量子效率提供理論依據，具有重要理論意義和套用價值。
