TiO2光催化机理的多时间尺度研究

Photocatalysis has proven to be a potential solution for the environmental pollution and energy crisis problems. The research on photogenerated carrier dynamics is very important in order to fullly understand the photocatalytic process. We studied the carrier dynamics of pure phase anatase and rutile TiO2 through steady-state and time-resolved photoluminescence spectroscopy under weak excitation condition. The roles of trapped carriers in photcatalytic processes were discussed. The trapped carriers in anatase TiO2 may paly an important role in photocatalysis, while the trapped electrons may be hard to participate in the photocatalysis processes.This work is very useful for understanding the photocatalytic mechanism in actual reactions. In this research project, the photocatalytic mechanism of TiO2, especially the roles of anatase/rutile TiO2 junction and the crystal morphology, will be investigated with time-resolved spectroscopy at multiple time scales.The time-resolved spectroscopy with different time resolutions from fs to ms will be used to study the charge carrier dynamics, and to identify the key process in photocatalysis. In combination with in situ spectroscopy, the photocatalytic reaction processes will be investigated. This project will help understand the photocatalytic mechanism,and will help design new structure photocatalyst with high photocatalytic activity.

光催化是解决环境和能源两大问题的重要途径。从超快动力学上研究光催化机理对于认识光催化过程、促进光催化科学发展具有重要意义。本人在弱激发条件下研究纯相锐钛矿和金红石TiO2，发现不同于强激光激发条件的TiO2载流子动力学过程，提出了束缚态可参与锐钛矿TiO2光催化过程，促进了真实条件下光催化机理的认识。本项目拟从动力学上，在多时间尺度对TiO2光催化剂的光催化机理进行研究，特别研究锐钛矿/金红石异相结、晶体形貌在光催化过程中的作用。通过不同时间分辨率(fs、ns、ms)的时间分辨光谱技术（发光、红外和紫外可见吸收）相结合，在多时间尺度上研究载流子动力学，揭示异相结、晶体形貌在光催化载流子动力学中的作用，确定光催化决定性步骤，促进光催化机理的全面认识。希望通过本研究，从本质上认识异相结、晶体形貌对光催化性能的促进机制，在多时间尺度上理解光催化机理，指导新型高效光催化剂的设计合成。

太阳能光催化是发展可再生能源的主要途径之一。研究光催化机理，特别是从动力学上认识各个过程，对于认识光催化过程、促进其发展具有重要意义。本项目使用时间分辨发光和红外光谱为主要手段，从动力学上研究和认识光催化过程，取得以下主要结果：1、使用时间分辨红外光谱对锐钛矿:金红石TiO2表面异相结的光催化机理进行研究，发现锐钛矿和金红石TiO2中光生电子衰减动力学具有明显不同的特点。光激发后，锐钛矿有来源于导带和浅层捕获能级中电子的红外吸收信号；而金红石未在微秒时间尺度探测到红外吸收信号。具有锐钛矿-金红石异相结结构的TiO2中光生电子初始吸光度明显降低，证明了锐钛矿:金红石表面异相结处存在锐钛矿向金红石的光生电子界面转移过程。2、进一步使用时间分辨发光光谱研究锐钛矿:金红石TiO2表面异相结光催化剂，直接在微秒时间尺度观测到了快速的载流子转移过程，证明了锐钛矿:金红石异相结处的载流子转移过程可提高载流子分离效率，大大减慢微秒时间尺度的载流子复合速率，对光催化过程起到积极作用。3、为进一步考察相结结构对光催化全分解水性能的影响，以Ga2O3光催化剂为例，研究γ/β-Ga2O3相结在光催化中的作用，发现纯相γ，β和混相γ/β-Ga2O3光催化剂都可以将水化学计量地分解为氢气和氧气。但是与α/β-Ga2O3可以提高光催化活性相反，低β相含量的混相γ/β-Ga2O3样品表现出最低的光催化活性。研究证明，低β相含量的混相样品中有许多的无序结构，这些无序结构在光催化中扮演了光生载流子复合中心的角色，从而导致了低β相含量的混相γ/β-Ga2O3样品最低的光催化活性。4、本项目还研究了TiO2和Ga2O3表面异相结粒子在光催化和光电催化中的相反作用，表面异相结样品可显著改善光催化性能，却在光电催化中表现出明显的负面影响。提出表面异相结可大大提高电荷分离效率，从而提高光催化性能。而在光电催化中，表面异相结的存在反而大大提高粒子间的复合速率，对电子传输极其不利，是表面异相结提高光生电荷分离效率的又一有力证据。本项目从本质上认识了表面异相结对电荷分离的促进机制，在动力学上理解光催化机理，有助于指导新型高效光催化体系的设计合成。