光催化材料中载流子体相择优迁移方向与活性晶面匹配性研究

太阳能光催化过程在获取可再生能源和净化环境方面有着重要的应用，但当前稳定的半导体光催化材料普遍面临光子转化效率低的瓶颈，迫切需要揭示控制光子转化效率低的内在因素，提出提高转化效率的新思路。深入分析光催化过程表明材料中载流子体相迁移能力和晶面活性分别是控制光生电子空穴的体相复合与表面复合的关键因素，结合晶体原子排列的周期性和各向异性特点，本项目提出以载流子体相择优迁移方向与活性晶面的匹配性这一新视角来理解、设计光催化材料，拟从不同晶面的材料中载流子择优迁移方向与活性晶面的匹配性和单一晶面的材料中异质原子及表面无序化对匹配性的调控这两个层面来研究匹配度与光催化活性的关联特性，旨在阐明两者的匹配性对光催化材料活性调控的规律和机制，建立调控两者匹配度的方法，为基于载流子体相择优迁移方向和活性晶面的匹配性来发展高性能光催化材料提供科学依据。

光催化是实现太阳能转换利用的重要技术途径之一，充分理解控制光催化效率的关键因素是发展高效光催化材料的基础，在分析光催化过程中光生载流子体相迁移能力和表面活性对光生电子空穴的体相与表面复合本质影响的基础上，本项目提出了以载流子体相择优迁移方向与活性晶面的匹配性这一新视角来理解、设计光催化材料。项目执行期间以含特定晶面暴露的金属氧化物光催化材料为主要研究对象,取得了系列研究进展，特别是发现了半导体晶体暴露晶面控制的半导体-金属界面载流子传输具有显著的各向异性、不同晶面暴露诱导的光生载流子氧化还原能力差异；基于异质原子与缺陷有效调控了光催化材料体相载流子输运与表面转移；进一步以含特定晶面暴露的铁电材料开展研究，获得了内建电场调控的光生载流子的空间分离；构建了具有空间电荷分离功能的核壳构型异质结构光催化材料,大幅度提高了光催化效率；同时还探索了新型单质光催化材料。相关研究结果为基于载流子体相择优迁移方向和活性晶面的匹配性来发展高性能光催化材料提供了重要参考。