多孔纳米片构筑的新型CaTiO3基复合光子晶体等级孔结构协同慢光子效应的光催化性能研究

Developing and designing the new photocatalyst with high photocatalytic activity and efficiency to convert solar energy into other chemical energy is a huge challenge for scientific research. Perovskite photocatalysts have aroused extensive attention due to its excellent performance and stability. The calcium titanate (CaTiO3) photonic crystal structure shows an excellent structural advantages in the photocatalysis field. However,the structural design and synthesis and the studies on the mechanism between morphological structure modulation and incident light interaction and the photocatalytic mechanism by the slow photon effect are still lacking. To slove the above problems, we foucus on the synthesis of hierarchical CaTiO3 photonic crystal structures constructed by multi-porous nanosheets in this project: 1) synthesizing high quality and long-ranged highly ordered hierarchical CaTiO3 photonic crystals constructed by multi-porous nanosheets,investigating the formation mechanism of meso-microporous nanosheets; 2) investigating the mechanism between morphological structure modulation and incident light interaction in hierarchical CaTiO3 photonic crystal structure, exploring the surface defects, charging properties and slow photon effect on mechanism of carbon dioxide photoreduction; 3) designing and coupling other semiconductors or cocatalysts to obtain hierarchical CaTiO3 composited photonic crystals, studying in depth on the influence of the electronic bandgap structure, photonic bandgap position and slow photon effect on the mechanism of carbon dioxide photoreduction of hierarchical CaTiO3 composited photonic crystal structures.

开发和设计高效率将太阳能转化为化学能的高活性光催化剂是目前科研工作面临的巨大挑战。钙钛矿型光催化剂由于其优异的性能及稳定性引起了科学家的广泛关注。其中钛酸钙(CaTiO3)光子晶体结构在光催化领域表现出较高的结构优势，但其结构的设计合成、不同形态结构调变与入射光相互作用机制研究及慢光子效应对其光催化机理方面的研究还很欠缺。针对以上问题，本项目以多孔纳米片构筑的新型CaTiO3光子晶体等级孔结构为研究对象：1)制备高质量且长程有序由多孔纳米片构筑的CaTiO3光子晶体等级孔结构，研究介孔-微孔纳米片的形成机理； 2)研究CaTiO3不同形态光子晶体等级孔结构的调变与入射光作用机制，探索其表面缺陷、带电性质及慢光子效应等对其二氧化碳光还原的影响机制； 3)构筑CaTiO3基复合光子晶体等级孔结构，深入研究能带结构、光子禁带位置及慢光子效应等对二氧化碳光还原性能的影响机制及光催化反应机理。

开发和设计高效率将太阳能转化为化学能的高活性光催化剂是目前科研工作面临的巨大挑战。钙钛矿型光催化剂由于其优异的性能及稳定性引起了科学家的广泛关注。其中钛酸钙(CaTiO3)光子晶体结构在光催化领域表现出较高的结构优势，但其结构的设计合成、结构调变与入射光相互作用机制研究及慢光子效应对其光催化机理方面的研究还很欠缺。针对此问题本项目主要研究内容为多孔纳米片构筑的新型CaTiO3基复合光子晶体等级孔结构的设计制备及其慢光子效应在光催化产氢方面研究。我们实现了：1）多孔纳米片构筑的CaTiO3光子晶体等级孔结构的制备及可控构筑，研究其介孔-微孔纳米片的形成机理，进一步实现了其与C量子点、Au、Pt等金属的担载制备了多孔纳米片构筑的CaTiO3复合光子晶体等级孔结构。2）通过结构与性能对比，深入研究CaTiO3光子晶体等级孔结构的高效光吸收及产氢机理。3）构筑CaTiO3基复合光子晶体等级孔结构，深入研究能带结构、光子禁带位置及慢光子效应等对二氧化碳光还原性能的影响机制及光催化反应机理。结果表明，这种等级孔结构不但有利于提升物质的扩散能力，同时赋予了材料较大的比表面积。二维纳米片层结构具有较短的载流子传输路径，可以有效降低光生电子空穴的复合率。采用自下而上的方式合成碳量子点来替代传统的贵金属作为助催化剂，复合材料不但具有较好的光解水产氢性能 (6.48 mmolh-1g-1），同时在光催化VOCs和光还原二氧化碳应用中展现出优异的转化率和选择性。