超薄二维压电半导体机械催化分解水制氢机制研究

It is a potential technology to solve the environment and energy issues by converting mechanical energy to hydrogen energy. On the basis of the ability to convert mechanical energy into electrical energy for piezoelectric semiconductor, this project proposes a mechano-catalytic water overall splitting to produce hydrogen over ultra-thin 2D piezoelectric semiconductor system by using the large mechanical energy capture cross-sectional area, sufficient active sites, and easy deformation of ultra-thin 2D piezoelectric semiconductor, to achieve effective H2 production from water decomposition at room temperature and pressure. Based on the research about the piezoelectric potential and charge distribution, crystal and energy band structure, as well as mechano-catalytic rate and selectivity under mechanical force, we aim to clarify the relationships among the above results and reveal the interaction mechanism and mutual influence rule between piezoelectric property and mechano-catalytic reaction. This project will develop some practical and effective mechano-catalysts for H2 evolution from water splitting. Besides, it is also expected to provide technical support about material design and application in converting effectively mechanical energy to hydrogen energy with high energy density.

将机械能量转化成氢能是解决环境与能源问题的潜在技术。本项目基于压电半导体能够将机械能转化为电能的特性，利用超薄二维纳米片大的机械能捕获截面积，充足的活性位点以及易形变性，提出构建超薄二维压电半导体机械催化纯水分解制氢体系，实现常温常压下纯水的分解制氢。通过研究并关联超薄二维纳米片在机械力作用下压电电势的大小与电荷分布规律，半导体晶体结构与能级结构以及催化速率与产物选择性，归纳并阐明机械催化纯水分解过程中压电性质与催化反应之间相互作用机制和影响规律。通过本项目的研究，可望开发出实用、高效的机械催化纯水分解制氢材料，也将为高效利用机械能转化成高能量密度的氢能提供材料设计及应用技术支持。

本项目基于机械催化技术面临的材料体系局限，催化效率低以及催化机理不清等现状，聚焦于薄层压电材料的设计与合成，并探究其压电催化分解水制氢机制与性能。项目组先后开发了三类薄层压电材料：①针对目前报道的少层MoS2其压电性表现出层数依赖性的特点，采用掺杂手段，打破其相邻原子层之间的对称性，使其压电性不受层数限制，赋予其无层数依赖压电性；②通过形貌控制，获得薄层非层状本征压电半导体ZnS，使其压电性显著优于块体ZnS；③以层状非压电体——石墨烯为载体，通过组分调节或局域极化结构引入以赋予其局域压电特性，并成功制备了系列具有压电特性的薄层石墨烯基压电体，包括：氮掺杂石墨烯片（NG），氮掺杂石墨烯包覆碳化钼纳米组装片（MoC@NG）以及Zn, N共掺杂石墨烯层（ZnNG）。随后将其成功应用于机械催化分解水制氢并均表现出优良性能。其中，MoC@NG组装片机械催化纯水分解制氢速率达到了当时报道的最高值，ZnS超薄片其机械催化纯水分解制氢速率同样位于前列，ZnNG更是实现了低频搅拌力驱动机械催化分解水制氢。最后综合运用理论模拟、分析和实验表征等手段系统揭示了其微观结构、压电特性以及结构与压电性之间的关系，证实了局域极化结构对薄层材料压电性之间的相互关联性，并阐释了不同薄层催化剂体系机械催化分解水制氢机理。本项目取得的研究成果为开发新型高效机械催化材料提供了多种思路和策略，也为开发新型实用性机械催化材料开辟了新的方向。 此外，本项目还成功设计合成了两种含有压电组分的催化剂（Cl掺杂ZnO纳米棒和PbTiO3/CdS复合材料），并将其应用于机械-光协同催化领域，系统揭示了其协同催化耦合效应优化机制，该部分工作为发展双能转换技术提供了理论参考。