基于SiC表面极性与光生载流子分布关联性的高效光催化材料可控设计

SiC due to its satisfied chemistry and physical properties, and environmental friendly as well, is considered as a promising photocatalyst for hydrogen evolution by water splitting. High surface charge separation is an important factor in this photocatalytic reaction. In our latest report, the surface polar property in 6H-SiC has effect on the spatial separation of photogenerated electrons and holes on its certain facets. This key project, aiming at promoting the surface charge separation using the new construct interfacial structure that designed by controlling loading the sediment on 6H-SiC surface, is focus on studying fundamental of the surface charge separation based on the 6H-SiC surface polar in photocatalytic water splitting reaction. New semiconductor photocatalysts based on SiC in potential applications are expected to be designed through carrying out this key project.

SiC优异的化学和物理性质使其在太阳能分解水制氢领域展现出了潜在的应用价值。本项目围绕如何使SiC表面的光生载流子得到高效分离，这一制约其获得高性能分解水效率的关键问题，结合课题组关于具有晶面各向异性的6H-SiC表面极性与表面载流子分布具有强关联性的最新研究结果，利用关联性实现负载物（如量子点半导体等）在6H-SiC表面的可控负载，利用表面光生载流子在可控的新的界面结构中的快速转移从而达到有效分离的目的。本项目以可控设计高效的以SiC为基的半导体催化材料为研究目标，并系统研究SiC表面极性与表面载流子的分布及催化反应之间的相互作用规律，深入认识SiC表面极性与载流子分布关联性的基础科学问题。同时，发展和丰富与SiC类似的具有晶面极性的半导体（如GaN、ZnO等）光催化剂体系。

利用太阳能通过光催化分解水制备氢能是国家绿色能源战略的组成部分，也是当下能源材料研究热点。SiC是理想的光催化剂选择之一。如何使SiC表面的光生电荷得到有效分离是获得高性能分解水效率的关键问题。本项目围绕SiC表面极性与光生载流子分布关联性的科学问题，深入研究SiC 表面极性与其光生电荷在表面分离、转移、复合的作用机制。.（1）研究结果表明，当SiC不同晶面C/Si比值大于1.8时，两个晶面之间随即发生光生电子和空穴的定向迁移。这一现象的驱动力可能来源于不同晶面的C/Si比不同所致晶面极性引起的晶面电势差。这一发现拓宽了SiC电子区域选择分布晶面范围。利用这一性质定向沉积金属助催化剂后（如Pt），金属与SiC表面Si原子的键合作用，对加速光生电子由SiC向金属助催化剂转移起关键桥梁作用。具有等离子共振效应的Au等元素，可以进一步活化Pt-Si键，构建Au-Pt-SiC的电子转移通道，提高光生电子的分离效率。.（2）上述机制同样可以实现量子点半导体在6H-SiC表面的定向可控负载构筑原位异质结。研究表明，还原质子反应在量子点上发生时，其沉积于SiC光生电子富集面构建的异质结结构有利于SiC光生电荷的分离，反之抑制电荷的分离。当还原反应在SiC表面进行时，量子点沉积于光生空穴聚集面则有利于光生电荷的分离。.（3）在此基础上，通过对SiC表面Si位点进行氧元素修饰（OH或者SiO1+x）增强Si原子位的极化，诱导表面极化。此极化作用诱导表面电子发生离域作用，使表面电荷重新分布，从而促进局部空间电荷分离。同时有利于Si原子位吸附水中的质子，提高Si 原子活性位周围的质子浓度，加速了质子还原反应的进行。.本项目对于深入理解认知SiC材料中光生电荷的分离、转移、传输机制具有一定的参考价值和科学意义。利用这种关联性机制对SiC 材料进行可控设计，可以为制备更高效利用太阳能的SiC 基半导体材料提供一定的理论指导。.