新型全固态光催化体系的构建及其可见光催化性能和机理的研究

The all-solid-state Z-scheme photocatalyst shows broad application prospects, due to the strong carrier separation and redox capacity. In this project, the organic semiconductor will be introduced into the photocatalyst to build a new family of Z-scheme oxide semiconductor/noble metal/organic semiconductor photocatalyst with uniform dispersed and size controllable metal particles. The metal type, the particle size, and the particle distance, will be adjusted systematically. Through the characterization of the structure, composition, morphology, electrical, optical, electrochemical and photocatalytic properties, the role of noble metal in the photocatalytic process will be studied; the charge transfer behaviors and the surface plasmon resonance mechanism will be investigated; the effect of the interface on the photocatalytic performance will be revealed. Then, the material properties and the photocatalytic activities will be correlated. Finally, the newly designed all-solid-state Z-scheme photocatalyst with high photocatalytic activity will be developed, and the catalyst reaction mechanism will be systematically studied...This project has significant scientific impact in developing a new method for preparing metal nanoparticles, expanding the Z-scheme system, deeply understanding the reaction mechanism of photocatalysis. Besides, it will shed light to designing high-efficiency, low-cost, visible-light-driven all-solid-state photocatalysts.

Z型全固态光催化剂具有很强的载流子分离能力和氧化还原能力，在光催化领域具有广阔的应用前景。本项目将有机半导体引入光催化材料，构建新型的、金属颗粒分散均匀、尺度可控的氧化物半导体/贵金属/有机半导体Z型光催化体系，并对其金属类别、颗粒尺度、颗粒间距等结构参数进行系统调控。通过对体系结构、成份、形貌、电学、光学、电化学和可见光催化性质的研究，解明纳米贵金属在光催化过程中的作用机制，探讨体系的电荷转移特性及表面等离子共振机理，揭示界面特性对光催化性能的影响，总结出光催化性能与材料结构间的内在联系，制备出新型的具有高催化活性的全固态Z型光催化剂。.本项目的研究，对发展制备纳米金属颗粒的新方法、拓展Z型光催化材料的体系、以及深入理解光催化的物理机制具有重要的科学意义，为研究高效、廉价、可见光驱动的全固态光催化剂提供重要的参考。

Z型全固态光催化体系具有优异的载流子分离能力和氧化还原能力，在实现高效太阳能-化学能转换领域具有重要的应用前景。本项目围绕“新型全固态光催化体系的构建及其可见光催化性能和机理的研究”这一选题，分别在新型光阴极的设计制备和性能优化、光阳极材料的设计和制备、Z型全固态光催化体系的构建以及整体分解水性能研究方面开展详细研究，得到了以下结果：设计和制备了一系列光阴极材料体系，如Cu2O、Cu2O/ZnO、Si、ZnFe2O4、P3HT:PCBM、g-C3N4等，通过结构优化、表面修饰、构建异质结等方式对光阴极的性能进行优化提升，获得了具有较大起始电位、较高光电流密度和良好稳定性的光阴极；利用不同方法制备了ZnO、TiO2、BiVO4、Fe2O3等光阳极材料，通过负载助催化剂、优化形貌、控制缺陷等方法提高光阳极材料的性能，最终获得了具有较小过电位和较高光电流密度的光阳极材料；通过能带的匹配，在以上得到的光电极体系中选择合适的光阳极与光阴极串联，构建出新型的光催化器件；进一步，在光阳极与光阴极之间引入金属导电材料Cu、Ag、ITO等作为载流子传输介质，得到了一系列Z型的全固态光催化器件，包括TiO2-Cu-P3HT:PCBM-Pt、ZnO-Cu-P3HT:PCBM-Pt、Cu2O-Cu-AgBr-Ag、ZnFe2O4-Ag-AgBr、Si-ITO-Fe2O3等，这些器件表现出优异的光电化学性质，实现了全分解水产生氢气和氧气、高效降解有机污染物等功能；此外，对Z型光催化体系的催化机理进行了深入研究，通过自由基俘获实验等研究了Z型异质结的电荷转移特性，揭示了金属界面层在Z-型光催化体系中对于促进载流子分离、改变载流子复合方式、提高光催化剂稳定性等方面的关键作用。以上研究实现了一系列新型的高性能全固态Z型光催化剂，特别是，首次将有机半导体材料作为光阴极构建出Z型光催化器件并实现了自发的全分解水产氢产氧，为拓展Z型光催化体系的范围、开发更高性能的光催化器件提供了新的思路。此外，通过以上研究总结出了影响Z型光催化器件性能的关键因素，揭示了界面层对Z型光催化体系的重要作用，为深入理解光催化机制、优化光催化材料性能提供了参考。