g-C3N4光解水制氢过程的理论研究

Recently, g-C3N4-based phytocatalysts have been widely applied in photocatalytic hydrogen production from water splitting. This project is mainly to theoretically investigate photocatalytic water splitting catalyzed by g-C3N4, and the major research content is as follows: (1) we will study the effects of heteroatoms doping and defects on the band structures, UV-Vis absorption spectrum, and thermodynamic stability of g-C3N4; (2) based on DFT calculations and charge-transfer theory, we will simulate the anisotropic charge-carrier mobilities, and discuss the influence of various controlling methods on the charge separation processes through analyzing the changes of photoelectrons and photoholes transfer-mobility values; and (3) we will investigate the reaction mechanisms of water decomposition on g-C3N4 surface and the corresponding microcosmic dynamics process. Our research work will help us deeply understand the surface chemical reaction mechanisms and the microcosmic dynamics process related with photocatalytic water splitting catalyzed by g-C3N4, and also provide necessary theory guide for the design of new-type catalysts and the optimization of catalytic reaction conditions.

近几年, 基于有机半导体g-C3N4的光催化剂在光解水制氢研究中得到广泛应用。本项目主要针对g-C3N4光催化分解水过程开展理论研究，主要内容如下：(1) 通过对比分析，研究元素掺杂和缺陷对g-C3N4材料能带结构性质、紫外-可见吸收光谱性质以及热力学稳定性的影响；(2) 结合密度泛函理论计算和电荷转移理论，计算模拟g-C3N4材料中各向异性载流子迁移率，分析不同调控手段对光生空穴和光生电子迁移速率大小和方向的影响，探讨其对电荷分离过程的作用；(3) 结合实验研究，探索g-C3N4表面水解反应机制以及相应的微观动力学过程。通过本研究项目，一方面将提高我们对g-C3N4光催化分解水过程中表面反应机制和散射动力学过程的理解，另一方面也为新型催化剂的设计以及催化反应条件优化提供必要的理论指导。

近几年, 基于有机半导体g-C3N4的光催化剂在光解水制氢研究中得到广泛应用。在本项目的支持下，我们对g-C3N4以及前驱物的光化学和光物理过程进行了系统的理论研究，并详细研究了g-C3N4的表面性质和表面催化反应机制，在此基础上对多个基于g-C3N4催化剂体系的界面性质开展了深入研究，为理解多相催化反应机制以及新型催化体系的设计提供了理论依据。本项目研究的主要内容以及研究成果如下：1）从理论上研究了of 3-hydroxy-2-(thiophen-2-yl)chromen-4-one、2,5-bis(benzoxazol-2-yl)thiophene-3,4-diol等有机共轭分子的光物理和光化学性质，构建了基态和激发态下其质子转移反应的势能面和势能曲线，并结合其光谱模拟结果，阐明了其光化学反应机制；2）系统地研究了g-C3N4电子结构性质以及不同点缺陷对其光吸收性质的影响，构建了多种g-C3N4/黑磷界面，研究了界面处的范德华力、C-P键以及N-P键对界面处电荷分布以及静电电场分布的影响，并计算模拟了水分子在g-C3N4/黑磷界面的解离反应机制，从理论上指出了界面处的反应活性位点，阐明了g-C3N4/黑磷界面催化反应机理；3）结合实验研究，从理论上研究了W18O49/g-C3N4异质结的结构性质以及电荷分离动力学过程，从理论上对该异质结的高效产氢过程做了合理解释，相关研究结果发表在Advanced Materials等杂志上。通过本研究项目，加深了我们对g-C3N4体系以及与之相关的异质结催化体系催化动力学过程的理解，也为新型催化剂的设计以及催化反应条件优化提供了必要的理论指导。