碳化硅表面功能化设计及光解水性能的研究

采用半导体光催化剂利用太阳光能量将水分解为氢和氧，受到了人们的广泛重视，但是目前还没有能够高效利用可见光、不发生光腐蚀以及对环境友好的光解水催化剂。碳化硅性质稳定、导电和导热性能好，带隙宽度在2.4-3.2eV之间，导带和价带的带边势分别在-1.3和+1.5V左右。低带隙使得碳化硅可吸收更多的可见光，较负的导带使得光生电子具有更强的还原能力。因此碳化硅在可见光下不需要牺牲剂就可分解水产生氢气和氧气。但由于目前研究中使用的碳化硅比表面积都很低，光解水效率一般。本项目拟研究高比表面积碳化硅的可见光催化分解水性能。通过表面掺杂改性调控导带和价带位置；通过表面修饰功能化纳米颗粒，在碳化硅表面形成分离的产氢和产氧活性位，从而抑制氢氧重新复合形成水、提高碳化硅的光解水性能。

本项目总经费30万元，自2012年开始，2013年结束。目前已顺利完成，取得以下成果：.（1）发现光滑纳米线、蠕虫状纳米线以及纳米颗粒等三种不同形貌纳米碳化硅均能在不加牺牲剂的条件下光解水产生氢气。产氢速率与碳化硅的比表面积、表面缺陷等有关，高比表面积和高表面缺陷浓度有利于碳化硅光解水产氢。.（2）碳化硅改性后，表面可形成较多的含氧基团，亲水性增强，从而提高碳化硅的光解水产氢速率。红外光谱和XPS证实，修饰后碳化硅表面的含氧基团主要是Si-OH。光解水过程中，碳化硅表面Si-H和Si-OH的浓度保持不变..（3）将石墨烯通过化学键嫁接到碳化硅表面，可使碳化硅的光生电子通过异质结迅速转移到石墨烯上，从而避免了电子和空穴的复合，可将碳化硅的光解水产氢速率提高将近一倍。.（4）在碳化硅纳米片的悬浮液中原位合成硫化钼，由于碳化硅纳米片的导向作用，硫化钼会以纳米片的形式与碳化硅形成异质结。这种复合物表现出非常高的光解水性能及光电析氢性能。.（5）在制备碳化硅时加入硼，可得到硼掺杂碳化硅，其中硼原子取代部分硅位点，在碳化硅价带上方形成浅受主能级，导致带隙变窄。同时，浅受主能级作为空穴捕获中心可拟制光生电子和空穴的复合，提高碳化硅的产氢速率。.（6）用贵金属Pt、Pd等修饰碳化硅后，贵金属纳米颗粒与碳化硅形成了肖特基结，光生电子会通过肖特基结转移到金属纳米颗粒上。但是由于贵金属和氢形成的M-H键较强，使得氢气难以从贵金属纳米颗粒表面脱附，因此贵金属修饰会拟制碳化硅的光解水产氢速率。.以上成果分别发表于Catalysis Today (2013), Int. J. Hydrogen Energy (2012, 2013), J. Mater. Chem. A (2013), 《物理化学学报》(2014)。项目执行过程中，共培养2名博士研究生，其中1名已毕业获博士学位。