亚稳相γ-氧化铋可见光光催化材料电子结构的设计及性能调控

以二氧化钛为代表的第一代光催化材料只能利用能量较高的紫外光，其应用受到了限制。新型高效可见光光催化材料的研究与开发具有重要的科学价值和广阔的应用前景，是光催化材料发展的一个主要方向。本项目拟以室温稳定的亚稳相材料γ-Bi2O3为突破口，提高其对太阳光中可见光的利用率和量子转换效率，发展具有可见光响应的、高效的、高稳定性的新型γ-Bi2O3基光催化材料。利用第一原理计算模拟γ-Bi2O3电子结构，研究掺杂和异质结匹配对材料电子结构的影响及其规律，并指导后续的实验研究。利用表面活性剂辅助合成技术制备形貌可控的γ-Bi2O3及其掺杂和复合材料。研究非金属掺杂和异质结匹配对γ-Bi2O3基光催化材料光吸收、电荷输运和表面反应的影响及机制，揭示材料的催化活性与能带、晶体结构和表面性质之间的关系与规律。通过本项目的研究为Bi系光催化材料的实际应用奠定基础，并完善光催化材料电子结构的物理理论。

本项目以室温稳定的亚稳相材料γ-Bi2O3为突破口，以提高其对太阳光中可见光的利用率和量子转换效率为目标，取得主要成果如下：1. 利用第一原理对γ-Bi2O3及其掺杂体系电子结构进行了计算模拟，研究发现本征氧空位对材料的带隙、带型及载流子的有效质量有显著的影响。这一发现解释了γ-Bi2O3在可见光区的宽频吸收特征，并解释了其晶体结构不稳定性物理起源。2. 利用表面活性剂辅助合成技术制备形貌可控的γ-Bi2O3，获得了高比表面积和高活性的纳米棒材料。研究了N、S非金属掺杂和γ-Bi2O3/Fe2O3异质结材料的光吸收、电荷输运和表面反应的影响及机制，揭示了材料的催化活性与能带、晶体结构和表面性质之间的关系与规律。研究表明非金属掺杂和异质结匹配可以有效提高材料的光催化性能。3. 本项目在JPCC、ACS Appl. Mater. Interface、PCCP等杂志上共发表论文14篇（SCI12篇），申请专利2项，培养博士1名，硕士生4名。获教育部自然科学二等奖1项。通过本项目的研究，完善了Bi系光催化材料电子结构的理论，为提高Bi系光催化材料的性能奠定了实验和理论基础。