富铋卤氧化铋光催化材料调控制备及其催化太阳能转换为太阳能燃料的研究

BiOX (X = Cl, Br, I) is a new type inorganic graphene photocatalyst. But the minimum of the conduction band (CBM) is too much, and the photon absorption efficiency and photo-induced carrier separation efficiency are too low. Therefore, BiOX can not effectively photocatalytic solar fuel production via artificial photosynthesis. Based on this, we plan to increase the content of bismuth in BiOX semiconductor materials, and prepared BixOyXz photocatalytic materials with more negative CBM, better bulk properties and surface properties than BiOX. By tuning the exposure facets, thickness two-dimensional crystal, and the defect, the position of CBM, bulk properties and surface properties of BixOyX can be optimized. And then, the performance of photocatalytic solar fuel production can be enhanced. Finally, the band structure of BixOyXz was analysed by density functional theory (DFT) calculation. And the photocatalytic mechanism and adsorption model of H2O and CO2 on different crystal facets and defect types of BixOyXz was studied by surface chemical analysis, instrument characterization and transition state theory, molecular dynamics calculation.

BiOX (X = Cl, Br, I)是最近几年开发出的新型无机类石墨烯光催化剂，应用潜力很大。但是，由于导带底位置太正、光子吸收效率和载流子分离效率太低，而不能够有效的人工光合成太阳能燃料。基于此，本项目拟增加卤氧铋半导体材料中铋含量，制备出导带底位比BiOX更负的BixOyXz光催化材料。并通过调控其暴露晶面、二维晶体厚度和缺陷改良BixOyXz光催化材料的体相性能和表面性能，从而增强BixOyXz人工光合成太阳能燃料性能。最后，通过密度泛函(DFT)理论计算、分析铋含量对BixOyXz的能带结构的影响，并结合表面化学分析仪器表征和过渡态理论、分子动力学理论计算，分析BixOyXz不同晶面的缺陷类型，H2O和CO2分子在相应晶面、缺陷上的吸附模式，研究其人工光合成太阳能燃料机理。

人工光合成太阳能燃料是太阳能转化为化学能的重要研究内容，主要包括光催化分解水制氢和光催化还原CO2制备碳氢燃料。光催化材料开发是光催化领域最为重要的研究方向，卤氧化铋BiOX 系列光催化剂是铋基光催化材料的重要组成部分，它具有明显的层状结构，是目前最为重要的无机类石墨烯光催化剂之一。.该项目主要开展了如下工作，①开发了高效的富铋BiOX光催化剂，提高了光催化净化环境能力和能源转换效率。该催化剂具有更高的稳定性、光催化性能和更合适的能带结构。② 合成出了人工光合成太阳能燃料性能卓越的超薄BiOX光催化剂，超薄化最终使得BiOX光催化材料的光生载流子的分离效率提高。③ 通过改变铋、氧和卤素原子的组装方法，研究了所制备的BiOX光催化材料人工光合成太阳能燃料的机理。例如：1、改变原子组装方法调节卤氧化铋光催化机制。2、氧空位诱导的激子解离高效光催化CO2转换。3、少层有较大层间距和氧空位的层状BiOBr高效分解油田废水。4、紫外-可见-红外光驱动半金属铋基与Bi4O5I2的复合材料光催化二氧化碳转化为化学能。5、BiOBrxI1−x/BiOBr异质结的构建增强激子光催化和载流子光催化作用。6、构建Bi3O4Cl/g-C3N4 2D/2D范德华异质结，实现高效CO2转化。.该项目研究的科学意义在于①通过调节铋的含量，可以明显的影响BiOX的层状结构，提升传统BiOX导带底位置、增强其光子吸收效率和光生电子-空穴的分离效率，形貌控制，内部电场调整和表面改性可以设计和开发出高效的BiOX催化剂。②BiOX的超薄化有利于BiOX光催化材料光生载流子分离效率的提高，实现高效催化CO2转化。③构建BiOBrxI1−x/BiOBr异质结构，可以增强激子光催化和载流子光催化作用。④氧空位诱导BiOCl纳米片发生激子解离，而且引起光吸收范围变宽。增强的激子解离使其在可见光下产生优异的CO2转化活性。