《陣列半導體納米片光解水微觀機理的原位同步輻射研究》是依託中國科學技術大學，由劉慶華擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：陣列半導體納米片光解水微觀機理的原位同步輻射研究
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：劉慶華
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
21世紀世界能源發展的重要方向之一是希望通過太陽能光解水的“人工光合作用”將太陽能轉換為清潔的化學能，為此必須深入了解太陽能水分解的過程機理。本項目擬利用水熱合成法製備高度取向的Fe2O3半導體納米片陣列光電極材料，實現光生載流子的定向轉移和高效分離，提高其可見光量子轉換效率。利用原位同步輻射XAFS/EIS聯用技術對陣列Fe2O3納米片光解水過程進行原位X射線吸收精細結構譜(XAFS)和電化學阻抗譜(EIS)的線上測量和監控，研究Fe2O3半導體納米片陣列結構在光解水過程中表面態中心原子和電子結構的變化以及光生載流子的遷移路徑，結合第一性原理理論計算獲得水在陣列Fe2O3納米片光電極表面的四電子羥基氧化步驟，深入探討其光電化學水分解反應過程中的載流子轉移機制和水分解反應的微觀過程機理，為進一步最佳化設計和可控制備高性能的過渡金屬元素基太陽能轉化光電極材料提供實驗和理論基礎。
結題摘要
依託上海同步輻射光源建立了光電化學原位XAFS/EIS實驗方法。利用同步輻射XAFS/EIS技術，結合X射線衍射、紫外可見吸收譜、高分辨電鏡和第一性原理理論計算等從原子分子水平上認識了鐵基和鈷基光電催化劑材料金屬離子活性態結構及載流子轉移路徑，探索水在光電極表面的分解反應微觀機理，為進一步最佳化設計和可控制備廉價高效穩定的過渡金屬基光電極材料以及提高太陽能分解水制氫的能量轉換效率提供實驗基礎和理論依據。從理論上提出一種通過形成“矢量遷移通道”的能級結構來引導光生載流子遷移的途徑。通過在Fe2TiO5/TiO2之間形成載流子分離界面，成功地將光生空穴從材料內部定向遷移到表面催化反應活性位點，極大減小了水分解反應的過電勢，使得Fe2TiO5-TiO2複合結構在400-600nm波長範圍的量子轉換效率高達40%以上，總的能量轉換效率達到2.7%。並利用同步輻射X射線吸收譜學和電化學阻抗譜技術等證實了Fe2TiO5-TiO2界面的“矢量遷移通道”能級結構是實現光生載流子定向遷移的原因。設計了一種N-S陰陽離子共摻雜的改性模式，能夠有效的傳輸TiO2基半導體光催化劑可見光激發的光生空穴。採用“原子尺度相轉換”的方法獲得了一種CoOOH二維超薄納米片材料，大幅提升了材料在可見光區的載流子分離和轉換效率，利用同步輻射XAFS等技術揭示了材料高活性的內在機制。研究工作豐富了人們對於二維金屬氧化物半導體光催化水分解材料的維度、結構和性能之間的相互聯繫的認識，為進一步設計並提高過渡金屬氧化物半導體催化劑的光催化水分解性能提供了新思路。
