金属-三元半导体纳米异质结构的水相制备及其光催化应用

This project proposes a new type of metal-ternary semiconductor nano-heterostructure synthesized in aqueous solution，which can overcome the disadvantages of traditional metal-semiconductor materials in photocatalytic application，such as complicated energy level matching，being unable to directly apply in aqueous environment and difficult for long-term use. By employing binary semiconductor nano-materials as templates，aqueous ternary semiconductors can be obtained by cation exchange method. The energy levels of the ternary semiconductors can be continuously manipulated in a wide range according to the cationic ratios which are adjusted by the cation exchange reaction, making it easier for energy level matching with metal thus achieving higher photocatalytic efficiency. Meantime, the absorption spectrum of the ternary semiconductor can also be adjusted in a wide range and wide-spectra photocatalysis can be realized. The proposed metal-ternary semiconductor nano-heterostructure is synthesized in aqueous solution to avoid the surface traps caused by phase transfer of traditional metal-semiconductor materials obtained by organometallic approach. The strong light stability of ternary semiconductors will be more suitable for long-term photocatalytic use. The outcomes are expected to provide a new type of nano-heterostructure with high photocatalytic efficiency, wide-spectra absorption, and strong stability for photocatalytic applications.

本项目提出在水溶液中制备一种新型的金属-三元半导体纳米异质结构材料，以解决传统金属-半导体纳米异质结构材料在光催化应用中能带匹配复杂、无法直接应用于水环境、难以长期使用等不足之处。水溶性三元半导体的制备是以二元半导体材料为模板，采用阳离子交换的方式实现。该方法可以通过在大范围内调节半导体内阳离子比例，对三元半导体能带进行连续调控，从而更容易与金属进行能级匹配并实现高催化效率。同时，可调节的阳离子组分还有利于拓展半导体的吸收范围，从而获得宽谱范围内的光催化。直接在水溶液环境中制备金属-三元半导体纳米异质结构，避免了油相法制备金属-半导体材料相转换带来的表面缺陷。三元半导体良好的光稳定性有利于异质结构的长期使用。本项目研究成果有望为光催化领域提供一种具有高催化效率、宽谱吸收、稳定性好的新型纳米异质结构材料。

本项目顺利完成了计划书所制定的任务，共发表了论文11篇，其中SCIE收录论文8篇，另有2篇在投，申请了中国专利2项，培养研究生2名。本项目以水溶性半导体纳米材料中光生载流子调控为基础，通过光化学过程对量子点进行电子掺杂。并以此为基础，制备了掺杂型、三元合金型和核壳型异质结构量子点和大尺寸纳米颗粒，并部分应用于光催化降解。采用光诱导电子掺杂的方法，获得电子掺杂的N型ZnSe量子点。利用光生电子与阳离子的静电吸引，实现了对ZnSe量子点的高质量Mn2+掺杂，获得了具有纯杂质发射的水溶性掺杂量子点，其杂质荧光效率高达19%。并通过光诱导电子掺杂促进一步离子交换调节量子点化学组成，避免了多步反应引入不必要的杂质离子，获得了缺陷荧光宽谱可调的ZnCdSe三元合金量子点。结合前驱体稀释和阳离子络合物补充，提出了具有近红外发光的大尺寸水溶性CdTe/CdS核壳型异质结构量子点超快制备方法，在45分钟内实现了具有800 nm近红外发光的CdTe/CdS核壳结构量子点。通过水热法制备了三元BiVO4纳米颗粒，利用模拟太阳光照，研究了纳米颗粒在可见光区域的催化降解反应。采用树枝状聚合物配体修饰有机CH3NH3PbBr3钙钛矿量子点，改善其在水溶液中的稳定性，制备单组分Mn掺杂CsPb2ClxBr5-x白光钙钛矿纳米片，应用于高亮白色发光的LED器件。本项研究，在水溶性纳米材料光化学反应动力学及光生载流子调控方面，具有重要的意义。