石墨烯担载多元硫化物纳米晶的光解水制氢研究

Photocatalytic water splitting driven by semiconductor photocatalysts for hydrogen production plays an important role in clean and renewable energy system. It is crucial to investigate the mechanism of photoelectron excitation and transfer for improving the energy-conversion ratio and solving the self-aggregation and deactivation problems of active semiconductor nanocrystals. As a novel carbon nanomaterial with large specific surface area, excellent electron mobility and high chemical stability, graphene can serve as a remarkable support for photocatalytic nanocrystals to increase the degree of dispersion and to improve the separation of photoelectron and holes. .This project will investigate the reaction dynamic process and electron transfer mechanism of photocatalytic water splitting, and prepare novel composite photocatalysts by loading multi-metal sulfide (MSx) nanocrystals with suitable visible-light photo-response bandgap on graphene. Through this approach, the self-aggregation of active nanocrystals can be prevented, hence the life of photocatalyst can be extended. By using graphene as a media to storage and transfer the charge carriers, the re-combination of electron-hole pairs can be disturbed. With the synergistic effect of graphene and MSx, the energy conversion ratio can be highly improved, and it could be very helpful for the development of novel visible-light-responsible, highly-effective and stable semiconductor nanocrystal composite photocatalysts.

通过半导体光催化剂利用太阳能光解水制氢，是光催化方向非常重要的研究课题，在清洁能源领域也有广阔应用前景。为此，应当深入研究光电子的激发和迁移机理，提高光催化剂在可见光区的能量转换效率、并解决半导体纳米晶的自团聚和降级失活等问题。石墨烯具有比表面积大、电子迁移率高和化学稳定性强等优点，可充当优秀的光催化剂担载材料，使负载的半导体纳米晶获得良好的分散度，并可作为电子转移媒介促进光生电子和空穴的分离。本项目拟从深入研究半导体光解水制氢的反应动力学过程和电荷转移机制着手，将具有合适可见光响应带隙宽度的多元金属硫化物（MSx）半导体纳米晶担载于石墨烯上获得复合光催化剂，有效避免活性纳米晶的自团聚失活，延长光催化剂的使用寿命，并利用石墨烯储存和转移光生电子来有效阻止载流子复合，通过二者之间的协同效应提高光催化剂的能量转换效率，出开发出能够响应大范围可见光波段、高效且稳定的半导体纳米晶复合材料光催化剂。

本项目的研究思路是可控制备具有不同能带结构和光响应的硫化物纳米晶，将其原位担载或组装在石墨烯等高导电性、大比表面积的载体上来抑制载流子复合，探索其在人工光合作用分解水制氢中的光电化学响应和催化过程，研究水分解的电荷转移机制和反应动力学，优化其能量转换效率和稳定性。.　　三年来，我们考察了MoS2、SnS2、NiCo2S4等多种硫化物纳米晶（尤其是超薄和自组装多级结构纳米片）担载于热合成石墨烯、柔性碳纳米纤维和泡沫镍等不同载体上的光-电催化性能。研究发现硫化物纳米晶的尺寸、形貌、晶面和表面缺陷等对活性位点分布有很强的调控作用。除了本征形态的影响外，通过改善纳米晶-载体组装结构的结合度、分散性和分级孔结构，以及载体的电子迁移特性等，能有效提高催化性能。此外，硫化物与其它半导体（如TiO2、Te）等形成的“人造纳米树叶”结构的异质结界面可以促进光生电荷转移，以此可实现在可见光照射、无牺牲剂条件下的高效光催化全分解水产氢和产氧，其效率可以和天然树叶媲美，同时稳定性较高。本项目还探讨了利用具有优良光电催化性能的硫化物纳米片和薄膜做为染料敏化太阳能电池和柔性能源器件的对电极材料，效率提升显著。本项目为设计大范围可见光响应、高效且稳定的半导体纳米晶复合材料光-电催化剂提供了一些新的思路。