基于接触晶面效应构建高效半导体复合光催化材料

Semiconductor photocatalytic materials has attracted much attention due to the potential application in solve the problems of environmental pollution and energy crisis. However, the low quantum efficiency has hampered their large scale application. Recently, the applicant found the faceted effect on the contacted interfaces in coupling the semiconductor. The photocatalytic activity of the hybridized semiconductor can be improved by using the faceted effect on contacted interfaces due to the efficient separation of photo-generated electron-hole pairs by reducing the recombination rate. In this project, it was proposed to study (1) the self-assembly of some typical high-energy faceted semiconductor nanocrystals such as MO (metal oxides), MS (metal sulfides) and BiOCl, and (2) faceted effect on the contacted interfaces when couping semiconducor nanocrystals with 2D organic materials such as g-C3N4, graphene and polyaniline by using the steric effects. The study of the proposal will not only benefit the exploration of high efficient semiconductor photocatalytic materials, but also provides new ideas on solving the problems related to environmental pollution and energy crisis.

半导体光催化因有望解决环境与能源问题，而得到广泛关注。但是，它的光量子效率通常较低，这严重制约了该技术的大规模实际应用。申请人新近发现，半导体光催化材料之间的接触晶面，影响光生载流子的分离效率。本项目拟进一步开展这种新型接触晶面效应的研究，（1）依据晶体生长的工程学原理，研究代表性高能面半导体纳米晶光催化材料如金属氧化物（MO或ABO）、金属硫化物（MS)和氯氧铋（BiOCl）等的晶面调控与自组装；（2）利用空间位阻效应，开展高能面半导体与二维有机材料如g-C3N4、石墨烯或聚苯胺等复合的接触晶面效应研究。本项目不仅有利于指导高效光催化材料的设计与开发，而且也对日益严峻的环境与能源问题的解决，提供新的思路。

本项目针对半导体纳米晶表面能差异诱导载流子在不同晶面上的选择性分布，提出复合半导体界面的的晶面研究，以实现载流子在半导体界面的快速转移，提高光催化活性。本项目研究了高能面TiO2纳米晶的自组装技术，及其复合半导体界面的接触晶面效应。采用高温煅烧法制备了由高能面TiO2纳米片组装的TiO2空心纳米盒（TiO2-HNBs）和由高能面TiO2空心纳米晶组装的TiO2空心微球（TiO2-HMSs），研究了TiO2空心纳米盒与石墨烯之间的复合及其载流子传输机制。本项目构建了系列高效复合半导体光催化材料，包括TiO2空心纳米盒与石墨烯（TiO2-HNBs/graphene）、金红石相与TiO2与g-C3N4量子点（rTiO2/g-C3N4-QDs）、锡酸锌与石墨烯（SnO2-Zn2SnO4/graphene）、高能面TiO2纳米晶与TiO2纳米纤维（TiO2-NCs/TiO2-NFs）、硫化锌镉与氮化碳（CdZnS/g-C3N4）、MOF纳米花球与硫化镉纳米棒（CdS-NRs/MOF）等。为了增强复合半导体界面作用力，采用原位生长法构建了高活性Bi2S3/Bi2WO6、Bi2S3/Bi2O2CO3和Bi2S3/BiVO4复合光催化材料。本项目还采用高压法制备了高结晶度g-C3N4，以及单原子修饰的g-C3N4纳米片及TiO2空心微球。项目执行期间，在本领域权威期刊发表通讯作者SCI收录论32篇，获得授权专利3项，获得湖北省自然科学奖三等奖2项，培养硕士研究生15名（8名研究生获得硕士学位，3人获得研究生国家奖学金），项目申请人入选国家民委“领军人才支持计划”，应邀担任催化学报青年编委。