氧化铁纳米粒子光催化活性的外表面指数依赖机理与掺杂效应的研究

环境污染和能源短缺使开发具有可见光催化活性的催化剂材料十分必要。氧化铁是一种有前途的可见光催化剂，光生电荷的复合是限制其提高催化效率的重要原因。控制纳米结构表面和适当的元素掺杂是提高催化活性的一条有效途径，本项目拟选用不同官能团分子作为表面活性剂控制不同晶面的生长速率，获得暴露高指数晶面、形貌规则的氧化铁纳米粒子并对其元素掺杂（Ti、Cr、Cu、Pt等）。检验制备材料在可见光下降解有机污染物的活性，结合第一原理计算揭示氧化铁光催化活性与表面结构、晶面指数以及掺杂元素之间的关联，为最终开发基于氧化铁的高效率可见光光催化剂材料奠定基础。

半导体光催化技术在清洁能源开发和有机污染治理中成功应用的关键是获取高效廉价的光催化剂材料及探明相应的光催化机理。相比研究充分的氧化钛，氧化铁对太阳辐射光谱的吸收范围更为广泛，且对环境友好，影响其光催化活性的主要原因在于氧化铁光生载流子的自由程短、电子-空穴复合几率较高。本项目通过控制纳米氧化铁的粒子表面结构并对其进行元素掺杂，结合第一原理计算对其电子结构、载流子输运性质的影响，研究了元素掺杂氧化铁纳米结构的光催化性质，探索α-Fe2O3表面结构、晶体取向和元素掺杂对光吸收能力的影响，及其同光生载流子之间的关系，发展和深化理解元素掺杂对α-Fe2O3电子能带结构、电荷传输特性、界面电荷传递的影响的认识，开展具有重大科学意义和应用前景的太阳能光催化分解水机理方面的研究，为实现清洁能源的高效廉价制备提供新的方法和新的材料体系。研究发现氧化铁的载流子输运特性表现强烈的各向异性，制备的粒子具有平行或近平行于<0001>方向的晶面有利于提高氧化铁的光催化活性，第一原理计算表明氧化铁光催化各向异性与电子电导率的强各向异性、不同方向上能带弯曲程度有关。项目考察了Cu、Ti、Sn、Ge掺杂对电极薄膜结构和光电化学性能的影响，探索了利用Co氧化物表面修饰提高氧化铁光电流密度且降低氧化铁特征过电势的技术可能性并分析了可能的机制。此外，还制备了由氧化铁纳米片、纳米棒阵列、或反蛋白石结构构成的具有较大的比表面积的薄膜结构，有利于光生电荷在电极-电解液界面的转移输运。合适的（4%-5%）的Sn掺杂可以将氧化铁光催化分解水的光电流提高8倍以上，性能改善与四价Sn提高了氧化铁中自由电子密度和电导率相关。改性氧化铁表现出较强的太阳能利用效率和较高的光催化活性，对清洁能源开发和有机物降解具有重要意义，对将氧化铁发展为具有实用价值的光催化剂材料奠定了基础。同时，本项目也为通过各向异性的材料结构设计改善材料物理化学性能提供了可供借鉴的研究思路。