基于无序化结构构建高可见光催化活性的Z机制2D/2D异质结

Designing and constructing low-cost material systems with high visible-light photocatalytic activities is the prerequisite to promote photocatalytic applications. How to integrate wide visible-light absorption, effective charge carrier transfer and high surface reactivity is the main problem that restricts the development of photocatalytic materials currently. This project proposes the idea of constructing amorphous structured Z scheme 2D/2D heterojunctions by introducing amorphous structures in two single 2D (two dimensional) materials with high reduction and oxidation abilities, respectively. Taking advantages of 2D/2D heterojunctions (sufficient interfacial contact), Z-scheme (retaining the charge carriers with higher redox abilities to participate in the reaction) and combining the beneficial effects of amorphous structures on the visible-light absorption, the interface binding and surface active sites in the heterojunctions, systems with superior visible-light photocatalytic activities are expected. Graphitic carbon nitride nanosheets and WO3 nanosheets with the advantages of visible-light absorption, easy synthesis and low cost are chosen as model materials of the project. Through systematically studying the influence of different amorphous states on the structure and photocatalytic properties of 2D materials and Z scheme 2D/2D systems, we intend to reveal the science principles in the construction of amorphous heterojunctions. The implementation of this project will provide new research ideas and directions for the construction of heterojunctions of other materials, and is of great significance for the development of highly visible-light efficient photocatalytic materials.

设计和构建高可见光催化活性、低成本的材料体系是推动光催化走向应用的前提。如何集成宽可见光吸收、有效载流子转移和高表面反应活性是目前制约光催化材料发展的主要问题。本项目提出将无序化结构分别引入具有强还原、氧化能力的单体二维（2D）材料，构建无序化Z机制2D/2D异质结的设想，利用2D/2D异质结（充分界面接触）、Z机制（保留异质结中高氧化、还原性的载流子参与反应）的优势，结合无序化结构对可见光吸收、异质结界面键合以及表面反应活性位的有利影响，有望获得具有优异可见光催化活性的体系。选用具有可见光吸收、易合成、原料价格低廉的石墨态氮化碳纳米片和WO3纳米片作为研究模型材料，通过系统研究不同无序化状态对2D材料以及Z机制2D/2D异质结的影响，揭示无序化异质结构建的科学机制。本项目的实施将为其他材料异质结的构建提供新的研究思路和方向，对高可见光活性光催化材料的发展具有重大意义。

开发能够集成宽可见光吸收、有效载流子转移和高表面反应活性的高效光催化材料是推进光催化技术发展，实现可持续清洁能源利用的核心根本。本项目提出将无序化结构修饰引入单体材料，进而改性Z机制异质结光催化性能的设想。项目执行过程中，探索了石墨态氮化碳（g-C3N4）、氧化钨（WO3）、二氧化钛（TiO2）等典型光催化单体材料的结晶性和无序化结构修饰等调控策略，并设计构建了Z机制等异质结体系，取得了系列创新性研究进展。通过平衡g-C3N4的结晶性和缺陷状态，统筹光吸收、载流子行为、表面反应特性，开发了高效可见光乃至近红外响应的g-C3N4。发展了二次热处理辅助g-C3N4结构重构的策略调控能带结构，实现了g-C3N4可见光产氢效率的显著增强。采用过渡金属介质影响g-C3N4结构演化，优化g-C3N4的微观原子结构和光催化过程，使其光催化产氢表观量子效率达到8.90%（λ=400nm）。提出利用碳酰肼自身结构氧影响g-C3N4骨架重构的策略，激活n→π*跃迁，获得了具有近红外响应的g-C3N4，实现了相比于传统g-C3N4大幅提升的光催化产氢性能（λ>450nm，300倍）和长波长全分解水性能（λ=600nm）。构筑了包括g-C3N4/WO3、g-C3N4/TiO2、g-C3N4/g-C3N4、g-C3N4/碳量子点和PbTiO3/g-C3N4等系列异质结体系，阐明了结晶性和无序化修饰对异质结的影响。发现g-C3N4/WO3、g-C3N4/TiO2和PbTiO3/g-C3N4异质结中，对WO3、TiO2、g-C3N4恰当无序化修饰能够促进异质结界面结合和载流子转移，获得更优的异质结构筑效果，实现可见光催化活性增强。采用硼氢化钠处理g-C3N4同素异质结，使其层面内周期结构受到破坏，减少N=CH-N键并提高氰基含量，能够有效改性异质结的光催化性能。选择结晶性g-C3N4与碳量子点复合能够利用π-π交互作用促进载流子转移，获得高效可见光催化响应。1篇光催化全分解水相关论文获得2022年度Infomat优秀论文。本项目相关工作建立了利用结晶性和无序化等修饰策略调控单体材料和异质结光催化活性的方法，揭示了无序化结构调控对异质结体系构筑效果的影响规律和作用机制，为高效宽光谱响应光催化材料构建提供了新的研究思路和方向。