異質結複合光催化劑的設計、製備與性能研究

《異質結複合光催化劑的設計、製備與性能研究》是依託南京大學，由李朝升擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：異質結複合光催化劑的設計、製備與性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李朝升
• 依託單位：南京大學

項目摘要

光催化劑在解決能源和環境問題方面具有重要的套用前景，但是目前其量子效率還比較低，光回響範圍還比較窄，導致其太陽能轉換效率太低，制約了光催化技術的套用。本項目利用兩種能帶匹配的半導體光催化劑構建成異質結來提高量子效率、拓寬光回響範圍，以期達到提高太陽能轉換效率的目的。本項目主要研究異質結複合光催化劑的設計、製備與性能。根據能帶位置匹配的要求，設計SrTiO3/TaON、C3N4/TaON、BiVO4/ C3N4等異質結複合光催化劑。利用Mott-Sckottky、VBXPS等方法研究其能帶位置。採用兩步法合成異質結複合光催化劑，利用電鏡和元素分析研究其界面結構。研究異質結的光催化分解水、光催化降解有機有害物、光催化CO2轉換等性能。闡明異質結對光催化性能的影響機制，為拓寬光回響範圍、提高光催化的量子效率提供理論和實驗指導。

結題摘要

如何提高光催化反應的量子效率和太陽能轉換效率是目前光催化材料研究的核心問題。本項目比較系統地研究了：（1）高效太陽能分解水制氫；（2）光催化還原CO2製備碳氫燃料；（3）利用第一性原理和分子動力學研究光催化材料；（4）其他光催化材料方面的研究。代表性的研究成果如下：1. 發現利用電化學表面處理消除光電極材料的偏析相可以減少光生載流子的複合，大幅度提高太陽能轉換效率，該成果發表在J Phys Chem C（2012, 116, 5076-5081）上。2.使用Co(OH)x 修飾的Ta3N5在標準太陽輻照下的飽和光電流達到8 mA/cm2。Co3O4納米顆粒與Ta3N5顆粒能夠形成結合力強的異質結，因而其穩定性比Co(OH)x修飾的Ta3N5更好（但是飽和光電流略有降低，為6 mA/cm2）。該成果發表在Adv Funct Mater（2012, 22, 3066-3074）上。3. 利用ZnAl2O4修飾介孔結構的GaN:ZnO固溶體，獲得了高效可見光回響型的光催化材料，用於光催化還原CO2製備碳氫燃料。ZnAl2O4修飾增強了材料對CO2的吸附，對光催化活性的提高非常有利。該成果發表在Chem Commun (2012, 48, 1048–1050)上。此外，受邀在Energy Environ Sci上發表綜述論文（2013, 6, 347-370），在論文中詳細探討了提高（光催化材料）光電極材料量子效率和太陽能轉換氫能效率的方法。該論文發表後受到廣泛關注，已經被SCI論文多次引用（25次）。該論文入選“Highly Cited Papers” （Web of Science）。本項目順利完成預定的研究目標，在Energy Environ Sci、Adv Funct Mater、Chem Commun、J Phys Chem C等國際學術期刊上正式發表SCI論文期刊30篇（標註了基金號）。申請國家發明專利3項目。獲得2012年度江蘇省科學技術一等獎（排名第二）。