基于Bi2O22+层的新型有机无机杂化化合物的制备及光电化学性能研究

Interlayer anions play an important role in determining the photoelectrical conversion efficiency of sillenite bismuth based layered compounds. The spontaneous polarization electric field produced by the interlayer anions could enhance the separation of photogenerated charge carriers. This project takes advantage of the structure diversity and tailorability of organic anions, focuses on Bi2O22+ layers based organic-inorganic hybrid compounds, starts from the preparation, controls the spontaneous polarization electric field of organic anions and the synergistic effects of spontaneous polarization electric field and interlayer internal electric field via controlling the dipole moment, conjugate structure and arrangement of organic anions. Then, this project further explores the effects of the mentioned effect on the separation and transfers of photogenerated charge carriers, reveal the essential relationship between the dipole moment, conjugate structure and arrangement of organic anions and photoelectrical conversion efficiency, and realize the control of the photoelectrical and photocatalytic properties of Bi2O22+ based organic-inorganic hybrid compounds. This project is not only challenging, but also has big research space and scientific value. This research will further promote the development of bismuth based organic-inorganic hybrid materials in the study of photoelectric effect.

层间阴离子是决定sillenite类铋系层状化合物光电转化性能的关键因素，层间阴离子产生的自发极化电场能提高光生载流子的分离效率。本项目利用有机阴离子(organic anions, OA)的结构多样性和易裁剪性，以新型Bi2O2(OA)层状有机无机杂化材料为研究对象，从此类材料的制备出发，通过调控有机阴离子的极性、共轭结构及其在化合物中的排列方式，调控Bi2O2(OA)中有机阴离子产生的自发极化电场、及自发极化电场和层间内电场的协同作用，深入研究以上作用对光生载流子分离和迁移的影响，揭示有机阴离子的极性、共轭结构和排列方式与材料光电转化效率之间的内在关系，实现对Bi2O2(OA)层状有机无机杂化化合物光电性能和光催化性能的调控。该项目具有很大的挑战性，但也具有很大的研究空间和科学价值，该研究将进一步推动铋系有机无机复合材料在光电领域的发展。

基于半导体的光催化技术，能够将太阳能转化成化学能，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的最有潜力的绿色技术。目前，光生载流子分离效率依然较低，抑制了光催化技术在实际中的应用。本项目以构建极性电场为主要手段，以铋基层状材料为主要研究对象，利用有机小分子的结构多样性和可裁剪性，构建了系列具有内建电场的材料，促进了光生载流子分离。首先利用离子交换反应，将均苯三酸离子取代甲酸氧铋中的甲酸根，将均苯三酸离子插入到(Bi2O2)2+层间，引起了(Bi2O2)2+层中Bi-O键的扭曲，促进了光生载流子分离；在此基础上，基于光催化反应是界面反应的特点，将系列极性有机小分子苯硫酚表面修饰到铋基半导体材料上，构建了极性界面电场，促进光生载流子的分离。除Bi-S键外，还可利用Cd-S键，将对羧基苯硫酚修饰到CdWO4表面，提高了光催化产氢活性。有机磷酸盐也被成功修饰到NiO表面，提高了光催化活性。此方法进一步拓展了有机小分子修饰构建内建电场的适用体系范围。在上述工作的研究过程中，也发现了系列新型MOFs材料、单原子光催化材料、及铋的重原子效应提高单线态氧的生成效率等。通过本项目的研究，进一步提高了光催化过程中光生载流子的分离效率和光催化活性，为促进光催化技术在实际生产和生活中的应用提供了新的方法思路及材料体系。近四年来，在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Cataly. B Envronm.; J. Mater. Chem. A; Chem. Commun. 等学术期刊发表SCI论文24篇，获得授权发明专利4项。在此项目的支持下，项目负责人于2018年晋升为教授。