氮化碳基Z型光解水系統的構築及其催化機理研究

《氮化碳基Z型光解水系統的構築及其催化機理研究》是依託江蘇理工學院，由孫建華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氮化碳基Z型光解水系統的構築及其催化機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫建華
• 依託單位：江蘇理工學院

項目摘要

針對光催化氧化水半反應量子效率低而難以實現可見光全解水的重大難題，模擬綠色植物的光合作用，提出以申請人新近開發的具有高催化產氫活性的空心氮化碳作為產氫催化劑（PSⅠ），價帶位置比O2/H2O 電位更正的半導體材料作為產氧催化劑（PSⅡ），配以合適的固相電子中介體，構築全固態Z 型光催化系統，實現可見光催化全解水。並通過元素摻雜和附載助催化劑對催化劑進行體相和表面改性，實現更寬可見光譜回響範圍和更高量子化效率的光催化全解水。系統考察不同類型氮化碳基Z 型系統的光催化分解水性能；研究Z 型光催化系統的構建、體相和表面改性對光生電子-空穴對的分離及界面遷移、催化劑表面羥基自由基和超氧負離子自由基以及過氧化氫等活性氧物種形成的影響。闡明全固態Z型系統光催化全解水過程的作用機理及其調變規律，建立全固態Z 型系統光輻射下全解水的反應理論模型。該研究為實現可見光全解水開闢了一條新的途徑。

結題摘要

氮化碳(C3N4)，作為一種新興的可見光回響聚合半導體光催化材料，其合成、改性和光催化性能研究受到了越來越多的關注，並取得了不錯的進展。本項目組針對其光催化量子效率低而難以實現可見光全解水的難題，圍繞決定光催化劑性能的三個效率（光的吸收效率、光生載流子的分離效率和水分解反應效率），通過對氮化碳的形貌、晶相調控，元素摻雜，表面修飾和Z 型光催化系統的構築，來提高氮化碳光催化分解水產氫、產氧效率，實現了可見光全解水。首先，我們採用硬模板可控合成了石墨相氮化碳（g-C3N4）空心球（HCNS）和空心多面體g-C3N4，並成功將產氫助催化劑（Pt）和產氧助催化劑(Co(OH)2)選擇性沉積在空心氮化碳球的內外表面。在提高光生載流子分離效率的同時阻止了分解水逆反應的發生，從而實現了可見光催化全解水，開發了氮化碳空心結構製備的通用方法。其次，我們以第一性原理研究了不同結構單元氮化碳聚合半導體的電子結構和能帶結構，以及表面電子轉移修飾以（SCTD）對其能帶結構和光電性能的影響。以此為理論指導，我們分別設計合成了碳自摻雜g-C3N4（UCN-X）、氮摻雜石墨烯量子點修飾g-C3N4 (NGQDs(x) /g-C3N4)和ZnO量子點修飾的PTI（聚三嗪亞胺型氮化碳）納米片異質結（PTI/ZnO-QDs），通過體相摻雜和表面修飾，實現了對光催化劑的能帶調控和光生截流子分離的提高，從而增強光催化分解水活性。最後，我們通過構築二元（TiO2/CNNs）、三元（PTI/ N-GQDs/ ZnO）Z型光催化系統，系統研究了Z型光解水過程中光生電子傳輸，並結合催化劑的微觀結構、光電性能和光解水半反應產氫、產氧和全解水性能，初步提出了Z型光催化分解水機理。以上研究將為開發新型高效全解水催化劑提供新的思路和理論指導。