载流子定向输运的双肖特基异质结TiO2/M/SrSO4(M=Ag, Pt)的构建及光解水制氢机理研究

Photocatalytic hydrogen generation from water splitting is one of the most promising routes to address energy and environmental concerns. Promoting photogenerated charge separation is an important strategy to realize the high efficiency of hydrogen generation. However, the lack of the steering the migration of electrons or holes to different semiconductor surfaces for reduction or oxidation reactions and the understanding of charge migration mechanism by building Schottky junction and plasmon resonance hinder the development of high photocatalysts. To solve this problem, we propose a new design TiO2/Noble metal/SrSO4 for a high photocatalyst by synergizing the plasmonic effect with two Schottky junctions. Steering the migration of photogenerated charges is achieved by introducing a material SrSO4 with a broad band gap to the Schottky junction TiO2/noble metal. The investigation will include, 1) design of ternary photocatalyst systems(component), 2) the tunable synthesis of TiO2/Noble metal/SrSO4, 3) proposing the model of synergizing the plasmonic effect with the Schottky junction and plasmon resonance, 4) presenting the mechanism of photocatalytic hydrogen generation based on the TiO2/Noble metal/SrSO4. Thus this project will offer an photocatalyst with excellent performance of photocatalytic hydrogen generation, and the mechanism for effectively steering the charge flow by synergizing the plasmonic effect with the Schottky junction. This design of TiO2/Noble metal/SrSO4 is distinct and unique in its fundamental mechanism and may offer a new concept for designing an excellent photocatalysts.

光解水制氢是解决当前能源危机和环境污染的有效途径，提高光生电荷的分离是实现高性能光解水制氢的关键。然而，缺乏对载流子输运过程中等离激元共振和肖特基结对光生电荷共同调控的深刻认识，缺乏对光生电荷定向输运的控制，阻碍了光解水制氢异质结材料的开发。针对这一问题，本项目提出通过将宽带隙材料引入光催化体系，构建“TiO2/贵金属/SrSO4”三元光催化材料，利用金属等离激元共振与肖特基异质结协同作用来实现光生载流子的定向输运。主要研究：1. 三元光催化材料体系的设计（各组分比例等）；2.探索三元光催化材料体系的制备方法（纳米化和形貌控制）；3.建立等离激元共振与肖特基结协同模型；4.揭示材料、组分和能带匹配对光解水产氢影响的物理机制。该项目的研究，将获得高效的光催化分解水的材料体系，给出等离激元共振和肖特基势在载流子输运过程的协同作用的机理，为设计高效光解水制氢新材料体系提出有效依据。

光解水制氢是解决当前能源危机和环境污染的有效途径，高效的太阳光收集和光生电子-空穴分 离是实现高性能光催化剂的两个关键因素。通过形貌和能带工程的精心设计，能够提高半导体光催化 剂的光吸收能力和减少了光生电子-空穴复合率。其中二氧化钛半导体性质稳定、环境友好 、经济实惠，受到人们普遍关注。但带隙宽、传导率低的限制其应用。为设计高效光催化剂，我们从以下方面着手：1.与能带匹配宽带隙材料形成异质结，不仅可以使光可以透过宽带隙材料照射到光催化剂上，从而保证该异质结中光催化剂的吸光效率，而且匹配的能带利于分离光生电子空穴对；2.光催化剂中引入金属，搭建宽带隙半导体和光催化剂的载流子输运通道；3.设计异质结形貌，增强光吸收和活性位点的暴露。因此我们制备了光孔（类似窗子）的光化学反应微腔。微腔壁由能带匹配的异质结组成，它可以引导电子-空穴对分离和迁移。作为电子海，金属可以搭建半导体异质结间的载流子传输桥梁，并实现对光生载流子输运过程中等离激元和肖特基结对光生电荷协同调控。本文采用光学透明的SrSO4纳米粒子组装SrSO4/M/TiO2 (M= Ag,Pt)光孔（类似窗子）的光化学反应微腔，宽带隙的SrSO4形成光学多孔壁，可以使光透过并困在中空立方盒内，使立方盒内外壁均能实现光吸收。 TiO2纳米颗粒吸收太阳光并产生电子-空穴对。由于能带匹配，光生电子从TiO2转移到SrSO4。此外SrSO4纳米颗粒还充当TiO2纳米颗粒的分离剂，使TiO2纳米 颗粒分散良好，并在TiO2周围形成更多的阳离子环境。附以金属Ag和Pt的导电性和Ag的等离激元共振特性，SrSO4/M/TiO2 (M=Ag,PT)展现出优秀的光解水制氢的性能。这种新型的光学多孔中空纳米立方体异质结为开发高效的光解水制氢催化剂提供了新的思路。