太阳能光催化分解水过程中产氧反应体系及机理的理论研究

Photogenerated charge recombination is one of the key factors of limiting the overall energy conversion of photocatalytic water-splitting reactions on semiconductor-based photocatalysts. Controlling morphology of photocatalytsts and loading suitable cocatalysts on the surfaces of photocatalysts have been proved to be effective methods of promoting photogenerated charge separation. In this project, we are planning to focus on these key scientific questions, and investigate photocatalytic water oxidation materials by means of density functional theory (DFT) calculations. We will perform DFT calculations on the geometric structure, stability, electronic structure, optical properties, the mobility of charge carriers, water adsorption and mechanism of oxygen evolution of semiconductor materials (such as Fe2O3, WO3, Ga2O3,etc.) and use the cluster model of metal oxide to simulate oxidation cocatalysts (such as IrO2, RuO2, NiO, etc.). Then, we will investigate adsorption site and bonding of cocatalysts on the surface of photocatalysts, calculate the effect of loading cocatalysts on the surface of semiconductor on the electronic structure, study the interfacial charge transfer between cocatalysts and photocatalysts, consider molecular and dissociative water adsorptin on surfaces at different coverages and explore the reaction center and mechanism of oxygen evolution reaction.

光生电子与空穴的复合是限制半导体催化剂高效光催化分解水反应的主要因素之一。控制半导体光催化剂的形貌和在光催化剂表面担载助催化剂是促进光生电子与空穴分离的有效方法。本项目将围绕上述关键性科学问题，主要以光催化分解水中产氧反应体系为研究对象，应用密度泛函理论方法，考察产氧半导体材料(如Fe2O3, WO3，Ga2O3等)不同晶面的表面结构、稳定性、电子结构、载流子迁移率、吸光性质、水吸附情况及产氧反应机理；以团簇模型构建作为产氧助催化剂的金属氧化物(如IrO2, RuO2，NiO等)；在此基础上，将助催化剂团簇搭建在主催化剂表面，研究助催化剂在主催化剂表面的吸附位点、成键方式，计算助催化剂的吸附对整个体系电子结构的影响，研究助催化剂和主催化剂界面间的电荷传输；考察水在复合体系中的吸附，确定复合体系的产氧反应活性中心和机理。

光生电子与空穴的复合是限制半导体催化剂高效光催化分解水反应的主要因素之一。控制半导体光催化剂的形貌和在光催化剂表面担载助催化剂是促进光生电子与空穴分离的有效方法。本项目围绕上述关键性科学问题，主要以光催化分解水中产氧反应体系为研究对象，应用密度泛函理论方法，考察了产氧半导体材料(如BiVO4, Ga2O3, SrTiO3, Ta3N5, Ta2O5等)不同晶面的表面结构、稳定性、电子结构、载流子迁移率、吸光性质、水吸附情况及产氧反应机理；以团簇模型构建作为产氧助催化剂的金属氧化物(如NiOx, CoOx等)；在此基础上，将助催化剂团簇搭建在主催化剂表面，研究了助催化剂在主催化剂表面的吸附位点、成键方式，计算了助催化剂的吸附对整个体系电子结构的影响，研究了助催化剂和主催化剂界面间的电荷传输；考察了水在复合体系中的吸附，确定了复合体系的产氧反应活性中心和机理。我们对NiOx助催化剂作用的计算结果发现，还原和氧化助催化剂易于分布在表面不同位点，这有利于光生电荷的分离。担载助催化剂不仅可以降低反应能变，而且可以提高表面其他位点的反应活性。计算结果对多个实验现象的微观机制给出了合理的解释，为设计和合成新型高效光催化材料提供了理论依据。