GaN/InGaN半导体一维纳米结构的理论设计、可控外延生长和光催化水分解应用基础研究

As an ideal "Green Chemistry" technology, photocatalytic water splitting using solar energy and semiconductor to generate renewable clean energy H2 has been one of the important research topics in the field of solar-to-chemical energy conversion. . Applicant of this project has recently reported on, for the first time, the wafer-level photocatalytic water splitting over GaN nanowire arrays grown by molecular beam epitaxy (MBE) (Wang et al, Nano Lett.2011). On the basis of previous work, the applicant has proposed in this project an efficient photocatalytic water splitting system over MBE grown GaN/InGaN nanowires under solar light. Theoretical calculation, atomic-level compositional modulation, energy band tailoring, and construction of multi-junction nanostructures are all incorporated into the materials design strategy. . In addition, the nanowire surface is modified purposely by depositing various noble metals (e.g., Pt, Au) and/or metal oxide nanoparticles, aiming at further enhancement of the energy conversion efficiency (up to 8%) for water splitting under solar light irradiation. The underlining mechanism for improvement in photocatalytic property will be clarified. It is expected that the research of current project will provide significant theoretical guidelines and solid experimental evidence for designing/fabricating highly efficient semiconductor materials for photocatalytic water splitting.

作为一种理想的“绿色化学”技术，利用太阳能和半导体的“光催化”水分解反应制备可再生清洁能源氢(H2)，是太阳能-化学能转化领域的重要研究课题之一。项目申请人使用分子束外延法生长的GaN 纳米线阵列，在国际上首次实现了圆晶量级(Wafer-level)的光催化分解纯水(Wang et al, Nano Lett.2011)。在上述工作基础上，申请人在本研究项目中提出，紧密结合理论计算，通过原子级别的成分调控、能带剪裁，生长GaN/InGaN 多能带异质结一维纳米结构，实现在太阳光条件下高效率光催化分解水。同时，深入探讨助催化剂对提高光催化活性的作用机理，有针对性地对纳米线表面进行不同修饰，形成单质贵金属和/或金属氧化物纳米颗粒构筑的表面活性点，进一步提高光电化学水分解的转换效率(~8％)。通过本项目研究，为高效率光催化分解水半导体材料的设计和制备提供重要的理论指导和坚实的实验依据。

本项目在基于GaN/InGaN的多能级异质结一维纳米结构的设计、制备及在可见光下实现高效光催化/光电化学分解水等方面开展了系列研究工作，取得了一些创新型成果。（1）用化学气相沉积(CVD)法成功生长出"Z”型GaN纳米线，对其微观结构进行了深入解析，并通过表面分子动力学模拟揭示了材料生长机理；多种表征手段证实了"Z”型结构的GaN纳米线有利于光生电子和空穴的分离，从而实现光催化纯水分解反应。在上述工作基础上，进一步可控生长出直线型和“Z”型结构的GaN/ZnO固溶体纳米线，同时可以通过成分调控，获得不同的能带结构。微观结构解析和表面分子动力学计算表明：相邻的Ga/Zn原子暴露面和N/O原子暴露面交替排列。与直线型纳米线相比，“Z”型纳米线中有利的光生电子和空穴的分离，大幅度提高了其可见光照射条件下的光电、光催化水分解和光催化还原CO2的性能。（2）基于V-L-S原理，成功利用CVD法在Ta基板上生长InxGa1-xN 纳米线，TEM结构分析证明，纳米线的生长方向为[1100] ，沿生长方向出现层错以释放晶格错配应力，由此获得了~3 at%的In含量。（3）对于(GaN)1-x(ZnO)x固溶体进行了成分优化计算, 用溶胶凝胶法在温和条件下成功制备了多孔结构的(GaN)1-x(ZnO)x固溶体，实现高效率光催化降解有机污染物。 (4) 基本摸索出InGaN的生长条件和规律，经过进一步优化，可望大幅度调控InGaN的In含量，从而拓展可见光吸收，提高可见光催化活性。在此基础上，提出一项发明专利“在金属片衬底上生长的GaN纳米线光催化材料及制备方法和应用”（公开号：CN10707185578A）。. 本工作的开展，加深了关于半导体能带工程，半导体纳米线的可控生长，表/界面工程及光生载流子的分离与传输的认识，为进一步设计和开发新型高效的半导体光催化材料提供了重要的借鉴和指导。