Ⅱ-Ⅵ族量子点修饰MTiOx基复合体系的可见光催化制氢研究

The study of the semiconductor visible light photocatalytic hydrogen generation is one of the most promising researching in energy, environmental field. In the project, we proposed to preparedⅡ-Ⅵ group semiconductor quantum dots modified MTiOx based visible light catalytic hydrogen production materials with high efficiency and circulation. The MTiOx with high photoresponse performance prepared by physical, chemical method and surface etching technology are modified by the Ⅱ-Ⅵ group semiconductor quantum dots due to the unique absorption of the quantum dots could improve the efficiency of the solar energy, the heterostructure could improve the generation and mobility, reduce the recombination of the photon-generated carriers, which could enhance the efficiency of the photocatalytic hydrogen generation prominent. This project design the heterostructure based on the band theory, controllable prepare the materials by adjusting parameter, study the mechanism and influence to photocatalysis of the coupling by the structure and spectroscopy, explore the influence to hydrogen generation from the photoresponse, production-recombination of the photon-generated electron-hole pairs and the structure of the band gap by adjusting the band gap structure and characterising the optics-electrics properties. Then our group would further optimize the design of these materials and make it applied to hydrogen production field.

开发高效的半导体可见光催化制氢材料是能源、环保领域的重要研究课题，对可持续发展具有重要意义。本课题旨在制备具有高效可循环的以Ⅱ-Ⅵ族量子点修饰的MTiOx复合体系可见光催化制氢材料。本项目以物理、化学方法，表面刻蚀技术可控制备具有优异光响应性能的MTiOx复合体系，进而辅以Ⅱ-Ⅵ族量子点进行修饰，以量子点独特的吸收特性拓展可见光利用率，以异质结构提高光生载流子的产率和迁移率，降低其复合几率，从而有效提高光催化制氢效率。本项目依据能带理论设计异质结构，通过反应参数的调节，实现材料的可控制备，通过相关结构和谱学的研究，探讨不同耦合方式的机理及其对光催化的影响，通过对量子点能带的调节以及相关电学，光学的表征，深入研究光催化材料的光响应、光生电子空穴对的产生、复合机理以及异质结构能带匹配对光催化制氢的影响，进而有目的地优化该类材料的设计，使其可以实际应用于制氢领域。

氢能作为可持续发展的重要能源之一，受到普遍重视，解决目前工业制氢的高能耗是本领域的热点问题，利用光催化被认为是实现绿色制氢的重要手段。本项目针对提高光催化性能进行了较为系统的大量的探索。研究主要针对以下几方面系统开展，1. 产生激子的核心材料，以提高量子效率，研究了二氧化钛、钛酸钙等钛酸盐及C3N4材料；2. 扩展光谱能量响应范围的措施，以提高太阳能量利用率，研究了CdS等量子点效应，异质结结构；3. 增强激子的有效分离，反应位点的影响等，减少电子空穴的复合以提高激子的有效率，研究了能带匹配异质结结构，以及控制腐蚀、核壳等结构调控，以及经济的助催化剂硫化物、碳化物等；4. 光催化全解水的探讨，研究了整体结构，包括同时采用制氢和制氧助催化剂；5. 提高透明材料的光电响应性能等。研究表明黑色TiO2及C3N4是提供激子非常优秀的激子产生材料，目前主要存在的问题是激子的有效作用发挥程度不高，我们通过采取合适的措施，包括合理的经济型助催化剂的应用，结构调控等，实现了产氢效率的大幅提升（一到两个量级），比如对黑色TiO2，C3N4体系，采用MoS2量子点等修饰后，产氢效率从约~10mol/g·h提高到1513.2μmol/g·h，提高了两个量级，而钛酸盐体系MoS2/g-C3N4/ SrTiO3纳米复合材料的产氢量达到1623.37 μmol/ g·h，采用CdS量子点修饰，以及Ni2P为助催化剂，黑色二氧化钛的光催化制氢性能达3303.85µmol/g h。对透明导电材料的研究，表明量子点掺杂和阵列结构可以有效提高透明材料的光电转化性能，比如ZnO QDs的引入使SnO/SnO2 p-n结薄膜的光电转换性能提高了约100倍。通过调整析氢和析氧助催化剂，实现了光催化全解水。.本项目的执行过程中所产生的结果，部分已经以论文形式发表，共发表SCI论文40余篇，其中有一篇论文进入ESI热点论文，3篇论文进入ESI高被引，在领域内具有较大的影响力。在透明导电方面的研究成果，正在进入企业应用研究。培养毕业博士研究生1名，毕业硕士研究生10名。“功能复合材料的结构设计、多级构筑与性能定制研究”获教育部自然科学一等奖，申请发明专利5项。