mpg-C3N4/{010}晶面BiVO4多级界面耦合及光催化活性增强机制

In order to solve the low redox abilities of traditional heterojunction photocatalysts, this project intends to prepare ms-BiVO4 with high {010} crystal face exposure ratio first by pH control of the atomic growth rate of different crystal faces. Then by a light selective deposition method, the protonated or deprotonated mpg-C3N4 quantum dots, conductor and such {010}ms-BiVO4 are combined to construct hierarchical interfacial coupled heterojunction photocatalysts, such as active facet-surface heterojunction-two dimensional π-conjugate material heterojunction or Schottky junction-Z type heterojunction-surface heterojunction. The hierarchical interfacial coupled structures are to be developed to broaden the range of light response, enhance the redox capability, increase active sites, and accelerate the carriers’ generation-separation-transition efficiencies. The mechanisms of controlling surface oxidation/reduction degree, regulating surface functional groups’ numbers and species and constructing Z type heterojunction will be researched to study the interfacial charge transfer behaviors between active crystal face and π-conjugate networks. Therefore the correlations among materials’ interfacial characteristics, photogenerated charge behaviors and photocatalytic performances can be established, providing theoretical and experimental basis for designing and preparing efficient photocatalytic materials.

针对目前半导体光催化剂复合形成的异质结氧化还原能力降低的问题，项目拟通过pH调控前驱液中不同晶面的原子生长速度，制备高{010}晶面暴露比例的ms-BiVO4，将质子化和去质子化的量子点mpg-C3N4、导体与{010}活性晶面ms-BiVO4用光照选择型沉积法构建活性晶面-表面异质结-二维共轭材料异质结或肖特基结-Z型异质结-表面异质结多级界面耦合的异质结，拓宽多级界面耦合光催化剂光响应范围、增强其氧化还原能力，提高其活性位点，加速其载流子产生-分离-传输效率，获得多级界面耦合机理，研究量子点二维共轭材料表面氧化、还原程度、表面官能团数量和种类控制机理，探索mpg-C3N4与ms-BiVO4{010}晶面Z型异质结构建机理，获得活性晶面材料、量子点二维共轭材料多级界面的光电传输行为，建立材料界面特性、光生电荷行为、光催化性能之间的联系，为设计和制备高效的光催化材料提供理论和实验上的依据。

为解决光催化剂光生电子-空穴对易重组、氧化还原能力差的问题，通过修饰处理改变g-C3N4的表面电负性，以暴露活性晶面的BiVO4为基体，利用表面异质结和界面内建电场以及极化电荷诱导界面能带结构变化等方式构建BiVO4的晶面异质结，多级界面异质结：发现H+会吸附在活性晶面上，降低高活性晶面的表面能，使暴露高活性晶面的单斜相BiVO4的(010)和(110)晶面能够形成表面异质结；利用BiVO4界面内建电场的，驱动正电性的g-C3N4在BiVO4的(010)晶面形成界面Z-型异质结，驱动负电性g-C3N4沉积在BiVO4(110)晶面形成晶面II型异质结，促进光生载流子的分离保持强氧化还原能力；发现了RGO表面等离激元的TE横电波使其能够吸收近红外光， RGO表面等离激元TE横向电波的局域电场和等离子体Ag的TM横电波的局域磁场的共振效应增强Ag-BiVO4@RGO光催化剂在可见和近红外光下的光催化活性；利用紫外光照法将氧化型助催化剂MnOx和还原型助催化剂金属Ag选择性地沉积在BiVO4的(110)和(010)晶面，构建了多级界面异质结，在p-n结、表面异质结和肖特基结的界面上三个同向的内建电场协同作用促进光生载流子的迁移并抑制其复合；添加NaIO3为电子捕获剂，通过两次光照沉积法制备得到了负电性g-C3N4和Ag颗粒分别沉积在BiVO4(110)晶面和(010)晶面的异质结，在静电引力和表面异质结的协同作用下加速载流子的分离，等离子体产生的高能热电子能够还原降解染料和抗生素；将Ag用光照法选择性还原在BiVO4(010)晶面，再将正电性g-C3N4沉积在BiVO4(010)晶面，由极化电荷引起的界面能带弯曲和复合体系中存在的内建电场的协同作用下，在BiVO4(010)晶面制备晶面Z型异质结。光生载流子的有效分离和快速迁移被促进，同时提高了光催化剂的氧化还原能力。