同质异相/异质结构光催化材料的界面微观结构及其性质研究

As a typical artificial system that can mimic natural photosynthesis to directly harvest and convert solar energy into usable or storable energy resources, photocatalysis technology has been attracted extensive concerning. However, it is often difficult to simultaneously achieve the requirements of ideal photocatalyst with a single material component. Thus, the photocatalysts with homo-/hetero-junction structure that integrates with various function of different material components become feasible solution scheme. For this kind of photocatalyst, interface dominates the photo-generated carriers' behaviors, such as separation, transmission, and so on. So far, however, for the interfacial microstructure, electronic states, and performance of photocatalysts with homo-/hetero-junction structure, people still lack sufficient understanding. This project will adopt first-principle calculations based on density functional theory and molecular dynamic simulations based on molecular force field to carry out systemic and in-depth fundamental research, starting from the basic scientific issues: interfacial microstructure, interfacial electronic states, and their relationship with photocatalytic performance. The purpose of this project is to reveal the intrinsic principle that the interface controls the corresponding photocatalytic performances, and to build the basic law that should be obeyed when people construct high efficient photocatalysts with homo-/hetero-junction structure. Then, some proper experimental method will be adopted to verify the theoretical calculation results. Finally, the composite photocatalysts that have some advantages: high efficient, low-cost, long-time stability, and can be excited by visible-light, will be designed and synthesized. The results of this project will provide theoretical support and scientific data for further development and industrial applications of photocatalysis technology.

由于能够把太阳能直接收集和转换为方便使用或存储的能源，光催化技术作为人工模拟光合作用的典型代表广受人们重视。但由于单一材料很难同时满足理想光催化材料的所有条件，因此集成不同功能的同质异相/异质结构复合光催化材料成为可行的解决方案，其中界面主导着光生载流子的分离、输运等行为。然而对同质异相/异质结构复合光催化材料中界面的微观结构和性质及其对光催化性能的影响目前仍缺乏足够的认识。本项目拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和基于分子力场的分子动力学模拟，从界面的微观结构、电子态及其与光催化性能之间的关联等关键科学问题着手，开展系统深入的基础研究，揭示界面对光催化性能的内在调控机制、探寻构建高效复合光催化材料的基本原则。同时采用相应的实验方法验证和补充理论计算结果，最终设计并制备能被可见光激发的高效、廉价、稳定复合光催化材料。研究成果将为光催化技术的进一步发展和工业化应用提供理论支持和科学数据。

为了使光催化技术能够尽早实现大规模的工业化应用，目前需要解决的关键科学问题是光谱响应范围的拓展和量子转换效率的提高。为了实现这一目标，构建具有同质异相/异质结构的复合光催化材料是一种可行的实现途径。然而，至今对同质异相/异质结构光催化材料中的界面问题的理解还不是十分系统、全面和深入，尤其是对界面的微观结构和性质还没有统一的结论，这对光催化技术工业化应用的进一步开展是很不利的。针对这一现状，本项目以几种典型光催化材料作为基础展开：以TiO2作为构建传统同质异相和异质结构光催化材料的代表；以Bi2O3作为构建新型同质异相结构光催化材料的代表；以BiOI作为构建新型异质结构光催化材料的代表。项目首先以典型的光催化材料TiO2为基础，对同质异相结构光催化材料P25的界面结构和性质进行系统的模拟与深入的研究、解释其具有优良光催化性能的内在机理，并通过对不同类型的TiO2基与非TiO2基同质异相/异质结构光催化材料的界面形成、微观结构及界面电子态开展了系统的理论研究与比较，总结同质异相/异质结构界面增强光催化性能的机理与规律、以及构建高效同质异相/异质结构复合光催化材料体系应当遵循的基本原则；最终以此为依据设计并制备能被可见光激发的高效、廉价、稳定的同质异相/异质光催化材料。通过项目研究工作的开展和完成，本项目的实施完成了以下三个研究目标：系统、详细地分析同质异相/异质结构复合光催化材料中界面的形成过程，明确了同质异相/异质结构复合光催化材料的微观结构和特性；以构建同质异相或异质结构为手段解决光催化材料光谱响应范围窄、量子效率低的瓶颈问题，总结同质异相/异质结构中界面增强光催化性能的内在机理、关键因素、调控规律、以及构建能被可见光激发的高效同质异相/异质结构光催化材料体系应当遵循的基本原则；设计并制备了高效、稳定同质表面结光催化材料体系，为今后设计和开发新型复合光催化材料提供有效的理论指导和可靠的科学数据。