缺陷与晶面取向在光催化过程中的耦合作用

Photocatalytic technology has exhibited enticing prospect in environment and energy fields. But the low photocatalytic efficiency limits its practical application. So far, the photocatalytic role of the defect and crystal orientation has been widely researched respectively. However, their coupling effect between defect and crystal orientation for photocatalysis is rarely reported. The recent research and our preliminary research have shown that there may be some correlation between the defect and crystal orientation, which can further enhance photocatalytic activity. In this application, the photocatalytic materials with both defects and specific crystal surface are intended to be prepared by the external introduction and in situ growth methods. The as prepared materials are investigated by XPS, ESR, HRTEM and other means. The coupled effects of defects and facet orientation on pollutants degradation and water splitting are carried out, including different kind of defects, crystal facets, defect concentration and the ratio of the exposed crystal facet. A systematic and thorough research of the synergistic effects of defect and crystal orientation on the photocatalytic process is to be discussed. We will focus on the influence of defects introduced and restore on certain facet on photocatalytic activity and photoelectric property of the material. The coupling mechanism of the defects and crystal orientation and its universality are trying to be clarified, which will provide new ideas for the preparation of practical and efficient photocatalyst.

光催化技术在环境与能源等领域已显示出其诱人前景，但其低的光催化效率却限制了其实际应用范围。目前，缺陷与晶面取向各自对光催化的作用研究已广泛开展，但两者对光催化的耦合作用却极少见到报道。尽管最近的研究报道和我们的预研结果均显示缺陷与晶面取向似乎存在某种耦合作用，且这种作用可进一步提高光催化活性。本申请拟采用外部引入与原位产生的方法制备同时具有缺陷与特定晶面结构的光催化材料，并利用XPS、ESR和HRTEM等多种手段，探索同时含有缺陷与确定晶面的若干光催化剂（不同缺陷、晶面类型、缺陷浓度与晶面曝露比例）对光催化降解污染物和光解水的影响，对缺陷与晶面在光催化过程中的耦合作用做较为系统和深入的研究。我们拟重点考察缺陷在特定晶面中的引入与去除过程对光催化活性和光响应方式（即光生载流子产生、迁移与作用）的影响，力争阐明缺陷与晶面取向的耦合机制及其普适性，为制备实用、高效的光催化剂提供新思路。

本课题重点考察了特定晶面中的缺陷对光催化活性、光生载流子产生和迁移的影响，并对缺陷与晶面取向的耦合机制进行了探究。. 通过本课题的开展，我们可控制备了七种（合同规定两种）具有晶体缺陷与晶面取向的光催化材料，为保证课题的开展奠定了材料基础。这些材料包括一元光催化剂四种、二元复合光催化剂两种和三元复合光催化剂一种。同时，利用HRTEM、ESR和XPS等现代表征手段证实了上述合成的材料具有晶体取向和缺陷的存在。这方面特色的研究是利用原位还原配合HRTEM技术发展了一种微观缺陷的可视化表征方法。. 其二，选用对缺陷与晶面结构敏感的光催化性质（降解污染物和光解水制氢），综合评价不同缺陷-晶面体系对光催化活性的影响。获得了该体系的影响规律，并区分缺陷与晶面各自单独调控的作用。. 其三，综合运用多种手段，探索了光生载流子的迁移和复合情况与晶体取向和缺陷之间的关系，阐明了晶面与缺陷的耦合作用，从精细结构角度认识了光催化材料构效关系。. 通过本项目的研究，可望为制备实用、高效的光催化剂提供新思路。同时，本研究成果对认识非光催化材料的组成-结构-性能之间的关系也具有一定的理论与实际价值。. 在研究成果方面，在国外专业期刊上发表学术论文17篇（合同规定3-7篇），在全国性光催化有关会议上做邀请或口头报告8人次。基于这些研究成果的论文，还使得本申请人上了2016年英国皇家化学会 “Top 1% 高被引中国作者”榜单（统计2014-2015年文章在2016年引用情况，物化学科16名学者上榜）。另外，在研期间利用本课题研究成果还申请发明专利12 项（合同没有专利指标）。. 在培养硕、博士方面，在四年期间利用本基金资助培养了研究生6名（合同规定3-5名）。