富勒烯基半导体氧化物纳米复合材料的能带调控及其光催化制氢效能

利用半导体将太阳能转变为高能密度的氢能，是当今新能源技术的主要发展方向之一。针对国内外富勒烯基材料的发展现状，结合本课题组在光催化制氢方面的最新进展，本项目提出开展富勒烯基(如：C60、碳纳米管或其杂化物)-半导体氧化物复合材料的合成，能带调控及其光催化产氢效能研究。结合贵金属表面修饰已制备的光催化材料，合成具有良好的可见光响应、稳定性、高光量子效率和能级匹配的富勒烯基氧化物复合材料。采用实验与理论计算相结合方式，对复合材料的能带结构进行有效调控，研究界面与表面结合方式对材料的光生载流子分离效率的影响机制，探索高效、稳定、低廉的富勒烯基氧化物复合材料及其产氢体系。该类材料可有效地突破半导体氧化物只吸收紫外光和有机光敏剂易降解等难题，是一类具有光明前途的可见光催化材料。这类制氢体系的研发可望为解决人类可持续发展所面临的能源短缺等难题提供行之有效的途径，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

针对国内外富勒烯基碳材料的发展现状，结合本课题组在光催化制氢方面的最新进展，本项目通过对富勒烯基碳及其类似物的优选与预处理，制备了两大类表面功能化的碳基材料(包括：①富勒烯基碳如MWCNT、SWCNT、C60、豆荚型C60@SWCNT及纳米牙型SWCNT-C60等；②新型碳杂化及碳复合物如GO、RGO、C3N4及Ni@C等)。在优选已合成的半导体光催化材料的基础上，制备了能级较匹配的三大类半导体材料(包括：①氧化物如TiO2、ZnO、BiVO4、MFe2O4(M＝Ni，Zn)等；②硫化物及其固溶体如CdS、In2S3、CdxZn1-xS、ZnIn2S4、AgIn5S8、Ag2ZnSnS4等；③氧/硫化物复合物如In2S3-TiO2、AgIn5S8-TiO2、Ag2ZnSnS4-TiO2等)。采用适当的方法将上述碳基和半导体材料耦合制备碳基-半导体纳米复合材料，考察了碳基材料对半导体的晶相、微观形貌、能带结构及其吸光性能的影响，并深入探讨其光催化性能及产氢反应机理。合成的部分碳基-半导体复合材料具有良好的可见光响应、稳定性和高光催化产氢效能。上述研究结果为研制新型、高效、稳定的可见光催化材料及其产氢体系提供了重要的数据与理论指导。