高效光生载流子分离及电子传导异质光催化材料的设计合成

Metal/semiconductor hetero-photocatalysts have attracted considerable attention in present photocatalytic research field. However, the reported hetero-photocatalysts available to date are generally limited by either insufficient charge separation ability or poor photocatalytic efficiency in the visible light range.Thereby, to address this problem, this project focus on the exploration and fabrication of novel hetero-photocatalysts consisted of metal nanowires and semiconductor crystals with necklace-like structure. More specifically, the metal nanowires possess a favorable Fermi level, which can serve as a good electron acceptor for facilitating quick electron transfer from both exterior and inner semiconductor under visible-light irradiation. Thereby, the photoexcited electrons can be rapidly transferred to metal nanowires, and the photoinduced holes can still locate on the surfaces of semiconductor, which promote the effective separation of photoexcited electron-hole pairs and decrease the probability of electron-hole recombination. More importantly, the enriched electrons on the metal nanowires could be effectively exported due to the unique necklace heterostructure, which facilitate their participation in the multiple-electron reduction reaction. Simultaneously, the high concentration of holes on semiconductor could significantly enhance the oxidation reaction. Thereby, this novel hetero-structure could effectively resolve the preblems of electron-hole combination and electron transfer and export. Furthermore, this hetero-structures can be applied in any semiconductor photocatalytic systems. To the best of our knownledge, the relative research work has not been reproted up to now.

金属/半导体异质光催化材料成为目前光催化研究领域的热点，然而目前所报道的此类异质材料由于自身结构及功能缺陷普遍具有较低光生载流子分离效率和较差的可见光催化性能。因此，本项目拟研究构建一种新型异质结构光催化剂- - 金属纳米线/半导体晶体异质光催化材料，即在金属纳米线表面通过选择性外延生长半导体晶体形成项链状异质结构。由于金属纳米线具有较低费米能级可以高效分离光生载流子，将电子快速转移至金属纳米线。此外，由于其具有独特的项链状结构，富集至金属纳米线的电子可以快速被导出并参与光催化还原反应，而分离后的空穴在半导体表面参与氧化反应。此异质结构光催化剂可以有效解决光生电子-空穴的快速复合以及电子无法导出的难题，从而提高半导体的光催化性能，并且在半导体光催化领域具有极高的通用性和实用性。此方面研究在国际上尚未开展，具有较高创新性和科学意义。

光催化是解决当今所面临的能源和环境问题最理想的技术途径之一。然而，目前所报道的光催化材料大都具有较高的光生载流子复合率，导致其量子效率较低，其成为制约光催化技术实际应用的关键科学问题。因此，如何促进光生载流子的有效分离成为目前光催化材料研究领域的重点。因此，本项目研究在金属纳米线表面通过选择性生长半导体形成项链状异质结构。由于金属具有较低费米能级可以高效分离光生载流子，将电子快速转移至金属纳米线。此外，由于其具有独特的项链状结构，富集至金属纳米线的电子可以快速被导出并参与光催化还原反应，而分离后的空穴在半导体表面参与氧化反应。项目执行期间发展了一系列具有强可见光吸收光催化剂以及具有空间电荷分离功能的异质结构光催化剂，特别是1）系统研究了Ag/Ag3PO4、Ag/AgCl、Ag/AgBr等异质结构光催化剂，有效解决光生电子-空穴的快速复合以及电子无法导出的难题；2）基于半导体阵列在光激发时电子-空穴在不同晶面间的定向分离产生较强的电场作用，通过光沉积法使金属纳米结构在半导体阵列进行选择性生长，形成具有特定结构的金属/半导体异质纳米阵列从而增强光电催化性能。项目执行期间在J. Am. Chem. Soc, Nano Energy, Chem Commun, Chem Eur J, J. Mater. Chem, Nanoscale, ACS Appl. Mater. Inter, Sci. Rep.等期刊发表40余篇研究论文，其研究结果为半导体高效光生电荷迁移及光催化性能研究提供实验依据和理论指导。多人次在国内外做学术大会上做大会报告，邀请报告，主题报告，并获中国催化新秀奖，光催化优秀青年奖等多项奖项，项目负责人2016年获国家自然科学基金“优秀青年基金”支持。总之，本研究项目基本完成了计划书上规定的任务，达到了预期的研究目标。