基于固态Z机制的三维介孔异质结构光催化材料的构建与性能研究

Photocatalytic materials play a key role in the process of solar-to-fuel conversion. Therefore, it is necessary to develop efficient photocatalytic materials for water splitting and CO2 reduction. However, both the amount and the redox ability of photoexcited electrons and holes will reduce in the transport process, which result in that most of photoexcited electrons and holes can not take part in effective photocatalytic reactions on the surface. To avoid the energy attenuation and combination of photoexcited electrons and holes and increase photocatalytic reaction sites, the 3D mesoporous heterostructures with solid Z-scheme mechanism will be designed and synthesized in the project. Photoexcited carriers with strong redox ability will be kept and used for photocatalytic hydrogen or CO2 photoreduction on the more photocatalytic reaction sites in the 3D mesoporous heterostructures. Furthermore, the surface structures are modified to achieve higher photocatalytic activity from solar energy to clean fuel.

光催化材料是太阳能燃料转化过程中的核心载体，因此设计高效的光催化材料是实现光催化分解水制氢和光还原二氧化碳合成有机燃料的关键。然而在光催化反应过程中，光生电子空穴在迁移过程中的体相复合及能量衰减使得大部分光生电子空穴无法有效参与目标光催化反应，从而导致太阳能转化效率低下。为获得高能量的光生电子空穴、减少光生载流子的体相复合及增加表面光化学反应位，以提升材料的光催化效率。本项目旨在通过在三维介孔材料中构建基于固态Z机制的异质结构，并通过调控其相组成及界面结构等，获得更多高能量的光生电子空穴，并在不同反应位上进行有效的光催化分解水制氢及光还原二氧化碳反应。以及通过对材料表面原子结构修饰，改善材料表面光生电子空穴的反应环境，进而获得高效的太阳能-清洁能源转化材料。

光催化材料是太阳能转化过程中的核心载体，因此设计高效的光催化材料是实现光催化分解水制氢等光化学反应的关键。为获得高能量的光生电子空穴、减少光生载流子的体相复合及增加表面光化学反应位点，提升材料的太阳能转化效率，我们发展了多种构建策略，设计并合成了一系列的三维孔光催化材料，并在此基础上引入异质相构建基于固态Z机制的异质结构材料。本项目已开发了UiO-66/α-Fe2O3、g-C3N4/CdS、ZnO/ZnS、ZIF-8/ZnO、Ta2O5/TaON、CdS/ZnO等多种有序孔异质结构光催化材料，均获得了光催化制氢等太阳能转化性能的大幅提升。我们还利用纳米反应器的限域作用，将固熔体裂解构建了CdS和ZnO交替排布的三维有序孔异质结构，该异质结构基于双Z型机制形成交替量子井，大幅提升了光催化制氢速率，在无助催化剂情况下，光催化产氢速率达到25 mmol h-1 g-1以上。此外，我们还对异质结构材料进行了相组成优化、界面结构调控以及表面原子结构修饰等，有效提高了界面光生载流子协同效应和表面光化学反应效率，进一步提升三维有序孔异质结构材料的太阳能转化效率。总结相关研究成果，我们已经在Chem. Eng. J.、Compos. Part B-Eng.、J. Energy Chem.等期刊发表与项目研究紧密相关的第一作者和通讯作者（项目负责人）SCI论文21篇，均为TOP期刊论文，其中一区论文16篇，影响因子大于10的7篇。远高于项目计划书的6篇论文。并设计和建造了平米级薄膜光催化裂解水制氢装置和台阶式污水处理装置，推动光催化技术的产业应用。申请国家发明专利5项，其中已获批2项。已培养研究生6人，其中博士研究生1人。该项目所取得的研究成果为设计三维孔异质结构光催化材料提供了多种新型构建策略，为提高光催化材料的太阳能转化效率提供了新的研究思路。