石墨烯擔載多元硫化物納米晶的光解水制氫研究

《石墨烯擔載多元硫化物納米晶的光解水制氫研究》是依託南京大學，由金鐘擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯擔載多元硫化物納米晶的光解水制氫研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：金鐘
• 依託單位：南京大學

項目摘要

通過半導體光催化劑利用太陽能光解水制氫，是光催化方向非常重要的研究課題，在清潔能源領域也有廣闊套用前景。為此，應當深入研究光電子的激發和遷移機理，提高光催化劑在可見光區的能量轉換效率、並解決半導體納米晶的自團聚和降級失活等問題。石墨烯具有比表面積大、電子遷移率高和化學穩定性強等優點，可充當優秀的光催化劑擔載材料，使負載的半導體納米晶獲得良好的分散度，並可作為電子轉移媒介促進光生電子和空穴的分離。本項目擬從深入研究半導體光解水制氫的反應動力學過程和電荷轉移機制著手，將具有合適可見光回響帶隙寬度的多元金屬硫化物（MSx）半導體納米晶擔載於石墨烯上獲得複合光催化劑，有效避免活性納米晶的自團聚失活，延長光催化劑的使用壽命，並利用石墨烯儲存和轉移光生電子來有效阻止載流子複合，通過二者之間的協同效應提高光催化劑的能量轉換效率，出開發出能夠回響大範圍可見光波段、高效且穩定的半導體納米晶複合材料光催化劑。

結題摘要

本項目的研究思路是可控制備具有不同能帶結構和光回響的硫化物納米晶，將其原位擔載或組裝在石墨烯等高導電性、大比表面積的載體上來抑制載流子複合，探索其在人工光合作用分解水制氫中的光電化學回響和催化過程，研究水分解的電荷轉移機制和反應動力學，最佳化其能量轉換效率和穩定性。 　　三年來，我們考察了MoS2、SnS2、NiCo2S4等多種硫化物納米晶（尤其是超薄和自組裝多級結構納米片）擔載於熱合成石墨烯、柔性碳納米纖維和泡沫鎳等不同載體上的光-電催化性能。研究發現硫化物納米晶的尺寸、形貌、晶面和表面缺陷等對活性位點分布有很強的調控作用。除了本徵形態的影響外，通過改善納米晶-載體組裝結構的結合度、分散性和分級孔結構，以及載體的電子遷移特性等，能有效提高催化性能。此外，硫化物與其它半導體（如TiO2、Te）等形成的“人造納米樹葉”結構的異質結界面可以促進光生電荷轉移，以此可實現在可見光照射、無犧牲劑條件下的高效光催化全分解水產氫和產氧，其效率可以和天然樹葉媲美，同時穩定性較高。本項目還探討了利用具有優良光電催化性能的硫化物納米片和薄膜做為染料敏化太陽能電池和柔性能源器件的對電極材料，效率提升顯著。本項目為設計大範圍可見光回響、高效且穩定的半導體納米晶複合材料光-電催化劑提供了一些新的思路。