《原位同步輻射研究新型CoOx/TiO2光解水催化反應機理》是依託中國科學技術大學，由劉慶華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：原位同步輻射研究新型CoOx/TiO2光解水催化反應機理
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉慶華
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
隨著化石能源的日趨枯竭和全球能源競爭的白熱化，發展高效、清潔、可再生的新能源技術已成為各國政府的重要目標，太陽能水分解制氫技術有望成為解決能源危機的有效途徑之一。為了進一步提高太陽能水分解的能量轉換效率，亟需從原位角度深入認識光解水的催化反應機理。本項目擬在合肥同步輻射光源XAFS實驗站上建立光催化原位XAFS實驗方法，實現激發光波長和亮度可調、光催化反應溫度可控的原位XAFS信號測量。套用原位線上XAFS技術研究新型CoOx/TiO2基催化劑的活性中心在不同激發環境下光解水過程中原子結構和電子結構的變化規律，結合密度泛函理論計算了解水在催化劑表面的分解路徑，探索光解水的催化反應機理，為新型高效廉價的過渡金屬基光解水催化劑的最佳化設計和可控制備提供實驗基礎和理論依據。
結題摘要
在合肥同步輻射光源建立了原位光催化XAFS實驗方法，為課題組和國內高水平用戶開展太陽能轉化功能材料的催化反應動力學過程的研究提供了良好的表征平台。利用同步輻射XAFS技術結合X射線衍射、高分辨電鏡、電化學阻抗譜和第一性原理理論計算等研究了TiO2基、Fe2O3基和Co基等催化劑材料的結構和催化活性的內在關係。首次提出一種通過形成界面“矢量遷移通道”的能級結構來引導光生載流子遷移的途徑。同步輻射XAFS技術結合掠入射XRD譜和密度泛函理論計算證實了包覆在高度有序的TiO2納米管陣列表面的Fe2TiO5窄禁帶半導體材料薄層在Fe2TiO5/TiO2之間形成載流子分離界面，成功地將光生空穴從材料內部定向遷移到表面催化反應活性位點，顯著提高了400至600nm可見光波長範圍的量子轉換效率。利用同步輻射XAFS技術給出了Ni修飾Fe2O3納米管表面層的結構，發現通過Ni取代表面層Fe離子的位置，可以有效增加光生空穴載流子沿管壁徑向的遷移長度，加速了表面水氧化反應、減少了空穴的聚集和降低了電子空穴對的複合，顯著提高了Fe基氧化物在可見光區光解水的量子效率。基於廉價的TiO2半導體材料，設計了一種N-S陰陽離子共摻雜修飾TiO2能帶結構的模式，能夠有效的傳輸可見光激發的光生空穴。其顯著降低的電荷遷移阻抗和增強的載流子遷移能力使得N-S共摻雜TiO2光電極材料在450至550nm波段的內量子效率得到極大提升。研究結果為進一步最佳化設計高效、廉價的可見光水分解催化劑提供了實驗指導和理論依據。
