一维硅纳米阵列有机/无机复合结构构筑及其光催化制氢性能研究

Solar hydrogen evolution is one of the most important approaches for clean energy production. Preparation high efficient photocatalysts and fabrication high performance photocatalytic system is the key issue in solar hydrogen evolution. Photoelectrochemical cell (PEC) has attracted attentions for hydrogen production due to its advantages in product separation and mechanism study. However, the current PEC system is challenged by low efficiency in visible light absorption and solar energy conversion. The proposal suggests one-dimensional Si nanowire arrays organic/inorganic composite structures as photoelectrode for PEC hydrogen production to solve this issue. It is proposed that based on unique properties of Si at visible light absorption and H+ ions reduction; as well as the advantageous of one-dimensional silicon nanowire arrays organic/inorganic composite structure at high efficiency light absorption, carriers separation/migration and large surface area, efficient PEC photocatalytic hydrogen production systems that are suitable for decomposition of water by "Z photocatalytic system" or decomposition of renewable biomass derivatives may be obtained. The breakthroughs in this area will provide new theoretical and experimental basis for promoting highly efficient conversion and utilization of solar energy.

利用太阳能光催化制氢是解决清洁能源供给问题的重要途径之一。寻找合适的光催化剂并构筑高效的催化体系是光催化制氢领域的核心科学问题。光电化学池（PEC）光催化制氢具有产物易分离和有利于研究光催化机理的优点，受到越来越广泛地重视。针对现有PEC光催化制氢体系中存在的可见光不能被有效利用，光催化制氢效率低的瓶颈问题，本申请提出一维硅纳米阵列有机/无机复合结构光电化学制氢的创新研究思路。拟基于硅材料带宽适合可见光吸收，导带电位适合H+离子还原的优异光电性能，以及经过表面有机聚合物修饰以后，一维硅纳米线阵列有机/无机复合结构优良的化学稳定性，高的光吸收、载流子分离和迁移效率，以及大的比表面积，发展适用于多电子过程的"Z型光催化体系"全分解水和分解可再生生物质衍生物制氢的高效PEC光催化制氢体系。此方面的研究突破将为促进太阳能高效转化利用提供新的理论和实验基础。

利用太阳能光催化制氢是解决清洁能源供给问题的重要途径之一。针对现有PEC光催化制氢体系中太阳光不能被有效利用，可见光光催化制氢效率比较低的瓶颈问题，本项目研究一维硅纳米阵列有机/无机复合结构PEC光催化制氢。主要研究一维硅纳米结构的制备和一维硅纳米阵列有机/无机复合结构PEC光催化制氢的机理。在一维硅纳米制备方面，研究了VLS催化生长一维硅纳米线的生长机理。在国际上首次发现VLS生长得到的一维周期纳米结构的两个标志性几何关系：1）点间距与点的直径的比值为常数；2）点间距的倒数排列成等差数列。该发现不但是VLS现象自1964年发现以来首次得到的定量关系，而且其相关热力学模型可能产生深远的影响。在光催化制氢研究中，在单根硅纳米线上揭示了硅纳米线的直径与其光吸收能力之间的关系；研究了硅纳米线上光生光子被吸收以后的衰退途径；并研究了一维硅纳米阵列有机/无机复合结构PEC光催化甲醇制氢的机理。相关研究成果均已发表在国际相关科学期刊上。