基于晶面与内建电场协同效应的金属氧化物催化材料的制备及光催化性能研究

It is of great importance to realize the design and the fabrication of highly efficient, stable and recyclable photocatalysts in the field of environmental remediation. However, the conventional photocatalytic materials are still facing two major problems: narrow light response range and low quantum efficiency. In this project, we mainly focus on the controllable syntheses and the properties’ improvements of binary and ternary metal oxide heterostructures by controlling the realizations of their different controlled exposed crystal facets, internal electric fields, compositions and morphologies with different physical and chemical methods. These photocatalystic materials with controlled exposed crystal facets and internal electric fields can achieve the separation and transmission of light-generated carriers effectively based on the correlation effects of exposed facets and internal electric fields of the oxide semiconductors. Herein, the quantum efficiencies can be improved and the absorption of solar spectrum will be optimized. By exploring the light absorption of full solar spectrum and the improvements of photocatalytic performances, we will further investigate the effects of the interfaces’ properties and energy structures of binary and ternary metal oxide catalytic materials in order to reveal their catalytic mechanisms and provide experimental and theoretical basis for their potential practical applications.

高效稳定且具有可循环性能的催化剂材料的设计与制备在环境治理领域有重要的现实意义，而传统的光催化材料仍然面临光响应范围窄和量子效率低两个主要问题。本项目拟采用不同的物理及化学制备方法，通过调控复合催化剂材料不同的暴露晶面、构筑不同的内建电场、组分及形貌等，针对催化材料量子产率低及带隙宽等问题进行研究，实现具有不同晶体结构、组分及形貌的二元及三元金属氧化物半导体异质结构的制备及性能调控。这些具有不同暴露晶面及内建电场的复合催化剂材料，通过不同暴露晶面及内建电场的协同效应，能有效实现光生载流子的分离与传输，从而提高了量子效率，拓展其对太阳光的吸收范围。通过探索其对全光谱太阳光的吸收及催化性能的提高，进一步研究二元及三元金属氧化物催化剂材料的界面性能、能级结构对其催化性能的影响，揭示其催化机理，为其应用提供实验和理论基础。

氧化物半导体催化材料在可见光区域的吸收效率较低，从而导致催化性能还不能满足实际应用的需要。由于光催化过程中的光生载流子往半导体表面传输过程中的复合不可避免，这将导致催化效率降低。因此，光生载流子的复合与转移间的竞争无疑是决定半导体光催化效率高低的重要因素之一。. 针对上述问题，本项目展开了以下研究内容：(1) 不同晶面、晶体结构、组分及形貌的二元及三元金属氧化物微纳结构的可控制备，(2) 具有特定暴露晶面、组分及形貌的二元及三元金属氧化物异质结构的制备及内建电场的构筑，(3) 具有特性暴露晶面、内建电场及形貌的二元及三元金属氧化物异质结构光催化剂降解性能的研究及降解机理的研究。. 通过以上的研究，产生了以下结果及数据：(1).通过水热，共沉积及其他容热方法，可控制备除了具有特定晶体结构、暴露晶面、形貌及维度的二元及三元金属氧化物微纳结构，例如WOx/C、ZnO/ZnFe2O4、CuO/Cu2O、NiCo2O4、MoO2等一系列二元及三元的 金属氧化物与硫化物。研究了反应物、浓度、反应温度、反应时间、溶液pH、不同合成方法等对产物的晶面、形貌、尺寸、晶体结构和维度等的影响，得出最佳的制备实验条件和合成规律，进而制备具有可控晶面结构、形貌及维度的氧化物微纳结构，提出可控生长机理，(2) 通过有效调控不同反应物的量比及内建电场，构建了具有不同晶体结构、形貌、维度及表面态的异质结构催化剂材料，获得高催化活性及稳定性的催化剂材料。并研究了其催化材料的光、电及催化性能以及催化活性与结构之间的依赖关系。相关工作在发表在Nano Energy, Nanoscale, ChemCatChem等国际知名杂志20余篇，申请发明专利2项，(3) 通过不同的合成方法，可控制备了具有特定晶体结构、暴露晶面、形貌及维度的二元及三元金属氧化物微纳结构。研究反应物、浓度、反应温度、反应时间、溶液pH、不同合成方法等对产物的晶面、形貌、尺寸、晶体结构和维度等的影响，得出最佳的制备实验条件和合成规律，提出可控生长机理。