硼氧配阴离子增强染料敏化半导体光催化剂稳定性及可见光诱导还原水制氢性能研究

The electron oscillation of borate complex anions in the borate solution was a very interesting peculiar phenomenon in the study of Solution Chemistry up to now. By means of borate complex anions addition, reacting system inertion and the electron donors addition, based on the peculiar contribution of borate complex anions with an electron oscillation characters, the stabilities of dye-sensitized semiconductors were greatly improved and the photocatalytic hydrogen evolution were efficiently enhanced. In this study, the following two scientific problems will be investigated: 1.the particular behavior mechanism of borate complex anion's electron oscillation on the stabilities of dye-sensitized semiconductors and the enhancement of photocatalytic hydrogen evolution. 2. the structure - activity relationships of combination mode between the borate complex anions and the semiconductors, between the dye molecules and the semiconductors through boron coordination bond. Based on the above researches, we hope to probe the effective methods for the improvement of the stabilities of dye-sensitized semiconductors, to construct the new efficiently photocatalytic reduction of water to hydrogen reaction system.

硼氧配阴离子在水溶液中存在电子自震荡现象，这是迄今为止溶液化学中一个极为奇特的事例。我们通过引入具有电子自振荡这一特性的硼氧配阴离子并借助它在电子传递过程中的特殊贡献、反应气氛惰性化、加入电子易给体等方法，有效避免了染料分子的被氧化，大大增强染料敏化半导体催化剂的稳定性，提高了光催化产氢效率。本课题拟通过谱学表征(稳态/瞬态荧光光谱、激光拉曼光谱)及其它光电化学表征技术深入研究如下两个层面的科学问题：1.硼氧配阴离子电子自振荡这一特质在提高电子/空穴对分离、电子有效传递、空穴有效消耗进而增强染料敏化光催化剂稳定性、提高光催化产氢效率的内在作用机制；2.硼氧配阴离子与半导体之间的结合方式、染料与半导体之间通过硼原子的配位键合方式及该结合方式之所以有效的内在原因。在上述认知基础上，探究能提高染料敏化半导体光催化剂稳定性的有效方法，构建稳定、高效的染料敏化半导体可见光诱导还原水制氢反应新体系。

研究并初步理解了硼氧配阴离子电子自振荡这一特质在提高电子/空穴对分离及电子有效传递进而增强染料敏化光催化剂稳定性、提高光催化产氢效率的内在作用机制；通过引入硼氧配阴离子、反应气氛惰性化、加入电子给体等方法，有效避免染料分子的被氧化，减缓了敏化剂从半导体表面的流失，增强了敏化体系的稳定性，开发了较为稳定、高效的可见光催化剂。. 从强化光生电荷分离、诱导光生电子定向迁移以提高光催化制氢效率为主要对象，设计并构建了基于石墨烯、g-C3N4复合材料为电子受体和传递介质的新型高效光敏化半导体分解水制氢反应体系。较为系统地研究了硼氧配阴离子和甲基紫精（MV2+）在促进光生电荷分离和定向迁移过程中的作用机制，研究了催化剂的微观结构和晶面效应在促进电荷分离方面的特殊贡献。制备了B-ZnxCo3-xO4/石墨烯复合催化剂，通过硼氧配阴离子修饰催化剂的表面，显著地提高光催化剂的产氢效率及光催化剂的稳定性。制备了Co3O4/g-C3N4光催化剂，并且在EY敏化Co3O4/g-C3N4光催化体系中通过引入电子传递剂MV2+，构建了高活性与稳定性的可见光催化产氢体系。制备了一种具有大量不同的边界活性暴露位点Co-Mo活性面的新型g-C3N4/Co0.04Mo0.96S2光催化剂，研究证实Co-Mo-S结构不仅有助于更有效地吸附染料分子，还因其特殊的电子离域特性可以作为电子受体和传递剂增强光生电荷的分离效率。以体相g-C3N4为前驱体通过高温热氧化制备了g-C3N4纳米片材料，获得了比体相g-C3N4具有更高的电荷分离效率。