Ni(OH)2与TiO2缺陷对可见光催化分解水过程的增效机制研究

The process of photocatalytic water splitting is considered to be one of the promising technology for achieving solar-chemical energy conversion. This project focuses on the defective TiO2 problems of absorption and utilization limitation of visible light and photogenerated carrier recombination, and then through the anoxic environment low temperature treatment for introducing secondary defect of TiO2 to expand its visible light absorption. Study on the effect of anoxic environment and the corresponding treatment conditions on the secondary defect introducing, building the relevance between primary and secondary defect and studying their effect on visible light absorption and photogenerated carrier separation. Introducing Ni(OH)2 on the TiO2 surface as the co-catalyst to improve the ability of TiO2 photogenerated carrier separation, study on the internal cause for the efficient coupling of Ni(OH)2 and TiO2, elucidating the function of Ni(OH)2 in the overall water splitting, Research on the relationship between the Fermi energy difference of Ni(OH)2 and TiO2 defect, making clear the function of Fermi energy difference on the driving force of the photogenerated holes, study on the synergy mechanism between Ni(OH)2 and TiO2 defect on the efficient water splitting and establishing the corresponding molecular model. This project will show the positive meaning on the understanding of semiconductor defects, photocatalysis and co-catalysts synergistic effect.

光催化分解水过程被认为是解决环境和能源问题最有前景的手段之一。针对缺陷TiO2可见光吸收利用低以及光生载流子复合快等问题，本项目拟通过缺氧环境低温处理缺陷TiO2以引入二次表面缺陷，实现TiO2基材料可见光吸收范畴的拓展。研究缺氧环境以及处理条件对TiO2二次缺陷引入的影响；研究一次缺陷与二次缺陷两者对可见光拓展吸收、光生载流子分离之间的关系。通过TiO2表面引入廉价Ni(OH)2助催化剂以实现载流子分离效率的提高。研究影响Ni(OH)2和TiO2两组分高效耦合的内在因素；明确Ni(OH)2在粉末体系全分解水过程的功能；研究Ni(OH)2与TiO2的缺陷费米能级差与TiO2缺陷程度的关系；阐明两相费米能级差与TiO2光生空穴驱动力之间的关联；研究Ni(OH)2与TiO2缺陷对光生载流子高效分离的协同机制，并建立相关分子模型。本项目的实施对理解半导体缺陷与光催化过程具有一定的理论和实际意义。

光催化分解水产氢被认为是解决能源和环境问题的主要手段之一，但在该反应中水的氧化过程是速控步骤。如何提高分解水氧化过程是提高产氢效率的热点研究方向。在项目基金的资助下，本项目在光/电催化分解水的表界面过程进行了研究。取得了较好的结果。1、通过一步光照辅助水热法合成具有纳米结构的IrOx/TiO2催化剂，其表现出了优异的光催化分解水产氧能力，在LED-365的单色光照射下，可以得到56.67μmol/g•h的产氧速率。2、我们也合成出了异质结催化剂Fe2O3/C-C3N4，该材料解决了g-C3N4难以氧化水的难题，该异质结在LED-420条件下，光催化分解水产氧的速率达到22.3μmol/h，是纯g-C3N4的30倍。3、我们也发展了非贵金属产氢催化剂Fe-NiS2，该材料表现出了优异的电解水产氢能力。在10mA/cm2条件下产氢过电势为121mV，对应的Tafel斜率是37mV/dec。同时，我们利用该材料优异的质子吸附脱附性能，将其负载到半导体CdS上，得到了3.2 mmol/h·g的 产氢速率，是纯CdS的46倍。4、我们研究了光电分解水，以MoO3和硫脲为前驱体，通过一步固态反应在氮气氛围内反应制备出了MoS2-C3N4复合物，该复合物具有两相垂直的特点。同时，我们使用硫脲和MoS2为前驱体制备参考样品。我们发现制备出来的复合物具有优异的光电载流子分离能力，具体来说，其在0.5M的Na2SO4电解液中表现出了0.05 mA/cm2光电响应，是纯的g-C3N4的16倍，同时也是参比样品MoS2-C3N4的10倍。5、在半导体和电催化剂协同促进分解水效率这一部分，我们也进行了另一个工作。研究黑磷量子点（BPQDs）和g-C3N4的协同机制。采用真空搅拌的方法制备了BPQDs/g-C3N4复合物，在LED-405条件下表现出了190μmol h−1的产氢速率。6、对于Ni(OH)2的产氧过程，我们采用W6+对其进行单原子掺杂制备出W-Ni(OH)2，展现出了优异的分解水产氧性能，在10mA/cm2的条件下，过电位为239 mV，且对应的Tafel斜率是33mV/dec。上述工作对理解分解水的表面反应过程具有一定的借鉴意义，同时也可以在设计高性能分解水催化剂方面具有一定的帮助。