Z型光解水体系中电子转移介体的界面行为调控研究

The large-scale generation of hydrogen via solar-driven water splitting is of great importance to the global energy – economic – environmental sustainable development. In-depth understanding of the mechanisms of photocatalytic water splitting reaction and developing efficient and stable Z-scheme photocatalytic systems remain as a great challenges in this field. Based on our preliminary results of precision synthesis of the active sites and catalytic mechanism study of the electron transfer carriers, this project will concentrate on improving the quantum conversion efficiency of Z-scheme photocatalytic systems through controlling the electrons that transfer from semiconducting materials to redox with high efficiency and selectivity at atomic scale. In this project, we will carry out density functional theory calculations to improve the understanding of the catalytic processes of redox reaction on materials, and to establish the screening strategy for active structures in redox reaction. Moreover, the project will controllably construct and tailor the active structures with high efficiency and selectivity at atomic scale. Furthermore, this project will achieve the control of electrons that transfer from semiconducting materials to electron transfer carriers on atomic level. Through the project implementation, new strategies and theories for designing efficient photocatalyst materials in Z-scheme will be obtained, and a series of stable Z-scheme photocatalytic systems will be designed for the photolysis of water with high quantum conversion efficiency.

利用太阳能实现大规模分解水制取氢能燃料对实现全球性能源-经济-环境可持续发展具有重大现实意义。深入理解光解水的微观物理化学过程，开发高效、稳定的Z型光解水体系依然是该领域目前所面临的重大挑战。本项目拟基于申请人及其研究团队在光解水材料活性结构调控及电子转移介体催化过程等方面的研究基础，致力于从原子、分子水平上实现电子在材料与电子转移介体界面处的高效定向转移，提升Z型光解水体系的量子转换效率。拟实现以下研究目标：利用理论模拟手段建立电子转移介体在材料表界面处的物理化学过程，并形成材料表面活性结构的理论筛选策略；在原子尺度上实现具有高催化活性、高催化选择性材料表面结构的精确可控构建与优化；通过调控材料与电子转移介体界面处的电子行为，从原子水平上实现对电子在界面处的高效定向转移。通过项目的实施，提出设计Z型光解水体系的新策略，获得系列高效、稳定的Z型光解水体系。

太阳能驱动的光解水产氢是开发利用新能源的理想方式之一。构建高性能的光解水催化材料是实现高效产氢的关键。本项目围绕Z型光解水材料的界面电荷转移、高活性产氢产氧端材料的设计，以及光解水微观反应机理等内容开展了系统研究。利用实验与理论计算相结合的研究方法，具体完成了以下工作：1）阐明了电子转移介体在半导体氧化物表面的氧化还原反应动力学和在固液界面的电荷转移行为，及其与光解水性能之间的内在联系；2）结合先进结构表征，采用多种材料制备技术，获得了具有优异电荷分离和传输效率、暴露大量反应活性位的PS I（CdS、C3N4等）、PS II（BiVO4、WO3等）光解水材料，主要探究了材料的能带结构、表面微结构对其电荷传输、光催化性能之间的影响机制；3）借助原位同步辐射技术、固态核磁共振技术，对反应活性位原子组态进行定量解析，探究了原子组态与催化反应活性之间的构效关系，及其光催化分解水微观反应机制；4）此外，开发了可实现光催化全分解水的材料体系，并提出了可能的光解水反应机理。项目研究成果将为构建新型高效的Z型光解水材料体系提供思路借鉴，同时有助于从原子、分子水平上理解材料结构与其光解水性能之间的构效关系。.基于项目实施，在材料、化学类国际学术期刊发表标注该项目资助的SCI论文50篇（通讯作者论文48篇），申请发明专利3项，培养研究生10名，受邀作会议报告12次。项目负责人入选国家杰出青年科学基金获得者、享受国务院政府特殊津贴专家、霍尼韦尔学者、2016-2018爱思唯尔中国高被引学者，并荣获上海市自然科学牡丹奖。