新型尖晶石型光催化材料的製備與性質研究

《新型尖晶石型光催化材料的製備與性質研究》是依託同濟大學，由徐曉翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型尖晶石型光催化材料的製備與性質研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐曉翔
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

太陽能光催化是太陽能利用的重要方式之一，在緩解能源危機、減少環境污染等方面有特殊意義。當前，單元金屬化合物光催化材料已很難同時滿足吸光性高、載流子遷移能力強、轉移能力高、穩定性好等要求，迫切需要對多元金屬化合物開展光催化研究工作。對多元金屬化合物光催化材料的研究表明，尖晶石型材料具有組成元素豐富、結構多樣、電子結構特徵優異等優點，是光催化研究的理想型材料。目前，國內外對該型材料還未進行系統研究。本項目提出了系統開展新型尖晶石型光催化材料的研究構想，擬通過同價原子摻雜或多位共摻雜的辦法提高材料的可見光吸收率，通過減小晶胞參數的方法提升載流子的遷移能力，並結合多種製備方法對材料的微觀形態進行調控，改良材料表面狀態及最佳化光催化反應條件，以期獲得新型高性能尖晶石型光催化材料。

結題摘要

隨著人類社會的不斷發展，地球上有限的化石燃料已經越來越難以滿足人類對能源的需求，並且化石燃料的使用也帶來了日益嚴重的環境問題。因此，尋找清潔、可再生的新能源已經迫在眉睫。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，將間歇性的、不易收集存儲的太陽能轉化為易存儲、易運輸的化學能是一種理想的能源開發途徑。太陽能光催化分解水制氫正是這樣一種將太陽能轉化為化學能的良好方式。本項目以尖晶石型光催化材料為研究對象，利用摻雜改性等手段獲得了一系列性能優異的新型光催化材料。同時對這些材料進行了系統的結構解析以及微觀形態控制、可見光吸收性和載流子遷移能力的改良。光催化測試證明這些材料具有優異的光催化性能。此外通過多種研究表征手段以及配合密度泛函理論計算，深入研究了這些材料的光催化機理，有力的指導了多種新型半導體材料的進一步研發和性能最佳化。本項目的開展持續取得了一系列重要結果，項目負責人累計以第一及通訊作者發表了SCI論文30餘篇，超額完成了項目的既定目標。例如，開發了具有高可見光回響的反式尖晶石材料Rh摻雜的Zn2TiO4, 該材料在可見光照射下能夠分解水製備氫氣，表觀量子產率達到了0.25%（ChemCatChem 2016, 8, 2289–2295）。該材料的發現又促成了一系列新材料的開發，比如可見光激發下產氫表觀量子產率達到1.18%的La/Rh共摻的Sr2TiO4 (Applied Catalysis B: Environmental 210 (2017) 149–159)，以及表觀量子產率達到3.27%的超薄層狀鈣鈦礦LaTa2O6.77O0.15-。並且超薄層狀鈣鈦礦LaTa2O6.77O0.15-實現了可見光激發下全分解水制氫制氧等 (ACS Nano 2017, 11, 11441-11448)。本項目的順利開展豐富了具有可見光回響的光催化材料，獲得了一系列高效的尖晶石型光催化材料，為後續的進一步研發提供了堅實了材料基礎。其次，本項目所採用的多種改性手段如摻雜、晶胞控制等技術具有較高的普適性，在多種結構的光催化材料中發揮了良好的效果，為傳統材料的改性及新材料的研發提供了很好的借鑑。再次，本項目中對光催化過程的機理研究及理論計算結果很好的指導了材料性能的最佳化，為今後新材料的開發積累了經驗。