二维异质结构材料的设计、合成与太阳能燃料转化性能研究

Photocatalysis can effectively achieve the conversion from solar energy to savable fuel. Photocatalytic materials play a key role in the process of solar-to-fuel conversion. Therefore, it is necessary to develop highly efficient photocatalytic materials. However, in the photocatalytic process, most of the photoexcited electrons and holes annihilate in the bulk transportation route from the interior to the surface, and then can not effectively take part in photocatalytic reaction on the surface. To reduce the combination rate of photoexcited electrons and holes and improve photocatalytic activity, the 2D heterostructure sheets with optimized composition and structure will be designed and synthesized in the project. The transportation distance of photoexcited carriers in 2D materials will be remarkably shorten, which will greatly reduce the combination probability. And the photocatalytic activity is also improved by the cooperative effect in the heterostructures. Furthermore, the surface structures are modified carefully to achieve higher photocatalytic activity from solar energy to savable fuel.

光催化技术可有效地将太阳能转化为可储存的清洁能源。光催化材料是太阳能燃料转化过程中的核心载体，因此设计高效的光催化材料是实现太阳能到清洁能源转换的关键。然而在光催化反应过程中，绝大部分的光生电子空穴在从体相到材料表面的迁移过程中即复合湮灭，难以参加表面的光化学反应，导致太阳能转化效率低下。为了减少光生载流子的体相复合与提升材料表面载流子的光化学活性，本研究项目将在二维材料中构建异质结构，并通过调控其相组成、形貌结构等，缩短光生载流子迁移距离，从而减小复合几率，同时充分发挥异质相间的载流子协同效应，提升材料的光催化性能。以及通过对材料表面原子结构修饰，改善材料表面光生电子空穴的反应环境，进而获得高效的太阳能燃料转化材料。

为了减少光生载流子的体相复合与提升材料表面载流子的光化学活性，我们通过在二维片状材料中构建异质结构，并调控其相组成、形貌结构等，将大幅缩短光生载流子迁移距离，从而减小复合几率，同时充分发挥异质结构间的界面协同效应，提升材料的太阳能转化效率。以及通过对表面原子结构修饰，获得了适合羟基自由形成的表面原子结构，构建了多种二维异质结构光催化材料并获得大幅提升的太阳能转化性能。在材料设计和制备上，我们设计并合成一系列的二维异质结构光催化材料，如ZnO-ZnS、ZnO-CdSe、BiOI-BiOI1-x、BiVO4-BBN等。并发展了羟基有机物调控表面原子结构的合成方法，该方法可以广泛用于二维半导体材料的合成与表面原子结构修饰。在催化性能方面，光催化产氢速率普遍提升到10 mmol h-1 g-1以上，并首次采用ZnO-ZnS异质结构片实现了光催化分解纯水产氢产氧。在学术论文发表方面，我们已经在Appl. Catal. B、Chem. Eng. J.、ACS Sustain. Chem. Eng.等期刊发表与项目研究紧密相关的第一作者和通讯作者（项目负责人）SCI论文16篇，其中影响因子大于10的2篇。已远超出了申请书设定6篇SCI论文的研究目标。该项目在二维异质结构的构建和表面原子结构修饰上所取得科研成果将可用于新型光催化制材料的设计与合成，促进太阳能转化材料研究的向深度和广度发展。