AB2X4型三元金属硫化物超薄纳米片的表面原子掺杂及其光催化产氢性能的研究

Photocatalytic hydrogen evolution on semiconductors was regarded as an efficient route to directly convert inexhaustible solar energy into chemical energy, which is considered to be a potential strategy for solving the energy and environment problems. Thus, designing and synthesizing semiconductor photocatalysts with high activities has received great attention in the field of photocatalysis. Up to now, a number of AB2X4-type ternary metal sulfides have been explored and widely applied in the photocatalytic hydrogen evolution reaction, because of their high activity, favorable chemical stability and appropriate band gap corresponding to the visible-light absorption. However, their catalytic efficiency is still very low and needs further promotion for practical applications. In this project, focused on the maximum of photocatalytic efficiency, we plan to synthesize a series of AB2X4-type ternary metal sulfide ultrathin nanosheets and modify their electronic structures through surface elemental doping. Furthermore, we use AB2X4-type ternary metal sulfide ultrathin nanosheets as excellent catalyst models to construct clear structure-property correlations for comprehensively understanding the role that doping atoms play in photocatalysis. Based on the theoretical and experimental study, the implementation of this project will supply valuable guidance for the design and preparation of excellent photocatalysts with high catalytic activity in the field of energy conversion.

为解决目前半导体材料光催化活性低的问题，本课题主要致力于开发新型的、具有超薄二维结构的AB2X4（A=Ca, Cd, Zn; B=Ga, In; X=S）型三元金属硫化物光催化剂，并将杂质原子引入AB2X4型三元金属硫化物的晶体结构中，通过对掺杂原子种类和浓度的合理调控来优化催化剂的电子结构，以获得显著增强的光催化产氢活性。本课题以AB2X4型三元金属硫化物的超薄二维纳米片为研究载体，探索掺杂原子在光催化反应中的重要作用，促进理论计算模型和载体材料的有机结合，构建定性和定量的“构-效”关系，以此阐明原子掺杂对催化剂的光吸收、电荷密度、载流子迁移速率、能带结构等因素的影响规律，为光催化性能的进一步提高提供更多的途径。

作为一种高效、清洁的能源转换技术，直接甲醇/尿素燃料电池因其能量密度高、绿色无污染等优点受到越来越多的关注。但是，它们的能源转换效率在很大程度上受到阳极上发生的甲醇/尿素氧化反应（MOR/UOR）的限制，这是因为MOR/UOR是一个复杂的多电子转移过程，其反应动力学迟滞、缓慢，需要使用高效的电催化剂以促进反应的发生。基于此，本项目致力于开发新型的、具有超薄二维结构的过渡金属纳米材料，通过引入微观结构的方式对材料的电子结构进行调控，协同优化材料的导电性、活性位点的数量和反应活性等关键影响因素，实现高效的电催化甲醇/尿素氧化反应；同时结合理论计算，以过渡金属基超薄纳米片为研究模型，建立清晰的“构-效“关系，系统地研究微观结构对电催化MOR/UOR性能的影响规律，为高效非贵金属催化剂的设计与发展提供了新思路。主要内容包括以下几个方面：.1. 合成了富含氧空位的氧化镍超薄纳米片并以此为研究模型，进一步结合理论计算，探索了氧空位对氧化镍纳米片电子结构的调控作用以及对电催化MOR性能的影响规律。.2. 提出了一种能在室温下快速合成过渡金属基超薄纳米片的方法，并以富含活性边缘的Ni(OH)2超薄纳米片为研究载体，探索了Ni(OH)2活性边缘对电催化UOR活性的提升作用。.3. 利用微波辅助合成技术制备了具有多孔结构的Ni(OH)2超薄纳米片，以此为模型，采用实验测试与理论计算相结合的方法，研究了多孔结构在电催化UOR过程中所扮演的重要角色。.4. 以Ni(OH)2超薄纳米片为模板，利用微波辅助原位硫化技术构建了具有异质界面的Ni(OH)2-Ni3S4杂化结构，以此建立模型并结合理论计算，探索了Ni(OH)2-Ni3S4异质界面对提高电催化MOR活性的作用机制。