《石墨相氮化碳聚合物新型光電轉換材料研究》是依託東南大學，由張袁健擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：石墨相氮化碳聚合物新型光電轉換材料研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：張袁健
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
製備來源廣泛、價格便宜，光電轉換效率高、性質穩定的光電轉換材料是解決近中期能源問題的關鍵難題之一。新型半導體材料石墨相氮化碳聚合物（g-C3N4）在空氣中熱穩定性高（～500℃），突破了傳統聚合物/有機半導體材料熱穩定性差（～200℃）的局限，預期在有機太陽能電池和光電化學分解水制氫/CO2還原等光電轉換領域的套用凸顯優勢，但是目前國際國內相關研究還非常少。本項目擬發展高效、穩定的g-C3N4新型半導體材料，建立g-C3N4分子結構和分子尺寸可控的合成方法，探索缺陷/結晶/光活性位點密度調控與光電轉換性能的關係，揭示g-C3N4光生載流子的傳遞途徑和動力學過程，提出g-C3N4在面向能源光電轉換套用的適用範圍。進而指導對更一般的高效、穩定的聚合物/有機半導體材料進行理性地設計與製備。該項目對於可持續發展、學科交叉和發展具有自主智慧財產權的光電轉換材料體系具有非常重要的意義。
結題摘要
本項目圍繞項目指南中的核心科學問題“高效、穩定光電轉換材料的理性設計與可控制備”，重點開展了制約g-C3N4聚合物新型半導體材料光電轉換性能進一步提高的基本問題和關鍵因素，主要開展了以下三個方向的研究：g-C3N4聚合物的結構解析、可控合成與結構調控；光生載流子產生、遷移途徑及動力學過程；g-C3N4聚合物在面向能源光電轉換器件套用的適用範圍。研究團隊通過3年的努力，提出了利用濃硫酸通過插層和質子化作用實現g-C3N4聚合物的良好溶解，進而採用高分辨液態核磁譜解析了其更精確的分子結構；建立了g-C3N4 聚合物3種合成和理性結構調控的新方法，包括：（1）酸性/鹼性條件結合不同溶劑調控pKa值化學剪裁具有不同納米結構的g-C3N4材料（其中g-C3N4¬量子點呈現出與傳統碳點截然不同的帶隙發光行為，螢光量子產率高達46%），（2）利用工業上廣泛使用的納米碳酸鈣作為硬模板製備了具有納米孔結構的g-C3N4聚合物，顯著提高了活性位點，與常用SiO2小球硬模板方法相比更為綠色和性能優異，（3）通過改善g-C3N4聚合動力學過程，對其結晶性和缺陷進行了調控；利用穩態/瞬態/時間分辨光譜和電化學等技術研究闡述了不同g-C3N4聚合物光生載流子分離和影響光電轉換效率的主要因素；給出了g-C3N4聚合物光、電轉換用於光催化和感測套用的實例。該項研究將為推進g-C3N4聚合物新型半導體材料在能源方面的大規模套用提供新思路和新技術。同時，對於可持續發展、學科交叉和提高我國在光電新材料科學領域中的自主創新能力具有十分重要的意義。
