贵金属-半导体复合纳米粒子的可控构建及其光催化降解染料和分解水制氢的性能研究

As abundant energy, solar light can be used to photo-degrade or convert organic pollution and split water to generate clean energy-hydrogen. However, the reported photocatalysts always show very low catalytic efficiency due to their wide band-gap and recombination of electron-hole pairs. Metal nanoparticles have been used to enhance the photocatalytic efficiency of semiconductors. Up to now, the reported metal-semiconductor nanocomposite mainly used metal nanopartices with spherical shape, which has narrow LSPR band in visible light range. Correspondingly, their photocatalyic efficiency was limited. This project plans to corporate metal nanoparticles with wide and tunable LSPR peaks in visible light range. Based on this project, metal-semiconductor nanocomposites with novel structure will be developed. And the prepared methods can be extended in a controlled way. Their photocatalytic activities for dye degradation and water splitting for Hrdrogen generation will be evaluated. To fully understand the enhanced mechanism, we can design and prepare a series of samples and compare their photocatalytic efficiency. After comparison, the influenced factors for each enhanced mechanisms will be revealed. We hope to develop more photocatalysts with high efficiency based on the conclusions obtained by this project. And the applications of solar energy in environmental treatment and hydrogen energy will be accelerated.

太阳能是一种充足的自然资源，太阳能可借助光催化剂直接降解或转化污染物，也可以催化水的分解产生清洁能源－氢气。但是，目前常见半导体光催化剂的太阳能转化效率很低，金属修饰是光催化剂改性技术研究的一个重要方面。目前，金属－半导体复合纳米粒子的构建方式主要使用球状金属纳米粒子。然而，球状金属纳米粒子的LSPR在可见光范围内的调节范围有限，它们的增强效果也受到了相应的限制。本申请项目将在可见光范围内具有较宽LSPR的金属纳米粒子与半导体结合，构建出更多的，具有新颖结构的金属－半导体复合纳米粒子。在合成技术上实现金属-半导体复合纳米粒子的可控构建。测试它们的光催化降解染料处理有机污染物，以及光催化分解水制氢气等性能。并通过调节金属-半导体的结构揭示金属增强半导体光催化性能的影响参数和规律。基于此研究项目，开发可见光激发的高效光催化剂，从而推动太阳能在处理环境污染和制备氢气等新能源领域的发展。

目前常见半导体光催化剂的太阳能转化效率很低，金属纳米粒子增强半导体光催化效率是光催化剂改性技术研究的一个重要方面。基于金属增强半导体光催化性能的电子转移理论和近场增强理论，本项目设计合成了一系列金属-半导体复合纳米粒子，测试了它们的光（电）催化性能，探究了其影响因素并通过计算，超快光谱等手段验证了上述理论。基于可见光下金属热电子可越过肖特基势垒转移到半导体导带的电子转移理论，本项目合成了具有不同ZnO壳厚度的AuNS@ZnO (NS:球状纳米粒子)，Au@AgNS@ZnO，AuNR@ZnO (NR:棒状纳米粒子)，Au@AgNR@ZnO核壳型复合纳米粒子，该方法合成的纳米粒子均匀且方法适用于ZnO包覆不同形状的金属纳米粒子。可见光下金属@ZnO的光电流数据表明，ZnO壳厚度以及Ag层均影响该类材料的光（电）催化效率。通过第一性原理计算肖特基势垒以及超快光谱技术对金属热电子转移到半导体的机理解释进行了验证。将此理论推广，尝试用Cu2O半导体与金属纳米粒子复合，制备了AuNS@Cu2O核壳型纳米粒子，其可见光下光电流结果表明AuNS也可以增强Cu2O光电转换效率。同时，为了对本项目中制备的材料进行深入研究及多方向应用，我们调控AuNR的尺寸，合成了一系列近红外光激发的具有不同ZnO壳厚度的AuNR@ZnO核壳型复合纳米粒子，结果表明，AuNR@ZnO在近红外光激发下可产生单线态氧，其可用作近红外光激发的光敏剂。基于金属可通过近场增强半导体电子-空穴有效分离的理论，本项目尝试用SiO2将金属与半导体隔开，合成了AgNS@SiO2@Cu2O的三层核壳型复合纳米粒子。其光（电）催化数据表明，在可见光照射下，当金属与半导体之间无直接电子转移时，AgNS在一定距离范围内仍可增强Cu2O电子-空穴对的分离效率。本项目通过调控金属-半导体复合方式，对金属增强半导体各种理论进行探究验证，并揭示了不同情况下金属增强半导体光催化性能的影响参数和规律。此项目的结论将为设计和合成金属-半导体复合型高效率光（电）催化剂提供理论依据。