仿生分级多孔光解水新材料的制备及应用

在借鉴自然界生物体分级、多孔结构的基础上，结合功能半导体材料本身的光学活性，通过选择为适应生存而对可见光具有特殊吸收性能的生物体为模板，经过对组成生物体的天然高分子的表面处理，选择性地用水热、渗透、溶胶-凝胶或超声波的方法，将半导体前驱体材料组装到生物模板的大孔、介孔和微孔等多级结构中，通过控制反应条件，控制半导体材料在生物分级结构中的生长，使所得材料能够传承生物体为适应生存进化而来的吸收可见光的分级结构，同时通过氮气氛高温烧结保留来源于天然高分子的碳基体。通过所传承的生物分级多孔结构与半导体材料本身光功能的耦合以及碳基体对可见光的光敏性，制备得到可见光吸收性能大幅提高的纳米复合材料。探索材料在光解水制氢方面的特性及机制。这对特殊结构的制备以及结构-功能一体化的光解水新材料的深入研究具有重要的现实意义。

本项目在借鉴自然界生物体分级、多孔结构的基础上，结合半导体材料本身的光学活性，通过选择为适应生存而对可见光具有特殊吸收性能的生物体，如蝴翅为模板，经过对组成蝶翅的天然高分子的表面处理，选择性地用溶液渗透、溶胶-凝胶或超声的方法，将半导体前驱体组装到生物模板的大孔、介孔和微孔中，通过控制反应条件，控制半导体材料在蝶翅分级结构中的生长，成功制备了具有生物分级多孔结构的光解水新材料，包括WO3, Bi2WO6, C-doped BiVO4 以及TiO2/Fe2O3复合物等。制备得到的材料传承了蝶翅为适应生存进化而来的吸收可见光的分级结构，结构与材质的耦合使材料的性能大大提高。进一步通过控制烧结温度保留来源于天然高分子的碳基体，原位C元素的掺杂，进一步提高了材料对可见光的吸收，并且极大提升光生电子-空穴对的分离速率，得到光解水活性大幅提高的纳米复合材料。相关工作形成的论文发表在Advanced Functional Materials, ACS nano等高影响力的国际期刊上，共计发表标注SCI论文20篇，申请国家专利8项。与此同时，进一步探索了材料在光解水制氢方面的特性及机制，这对具有生物精细分级多孔结构光催化材料的设计与制备提供了实验和理论基础，对特殊结构的制备以及结构-功能一体化的光解水新材料的深入研究具有重要的现实意义。