基于无机插层材料的光电化学分解水制氢性能研究

With imminent depletion of global fossil fuels and increasing concern on the climate change, considerable efforts have been devoted to exploiting clean and efficient power sources in the past decade. This program will investigate the synthesis of hierarchical Layered double hydroxides (LDHs), including the synthesis of LDHs platelets nanoarrays and the preparation of semiconductor metal oxides/LDHs core-shell nanowires arrays, with enhanced photoelectrochemical (PEC) properties. Typically, considering improvement of the PEC performance, the tuning composition of LDHs, the hierarchical nanostructure construction of the photoelectrodes as well as surface chemical reactions will be studied in detail. The synergetic effect between the semiconductor metal oxides and LDHs is also important for the understanding the conversion process from the solar and electrical energy to the chemical energy. Therefore, this work provides a facile and cost-effective strategy for the fabrication of multifunctional LDHs-based hierarchical nanostructures, which can be used in the PEC triggered energy storage and conversion devices for the efficient hydrogen generation.

由于全球环境和能源危机的不断加剧，新型清洁化学能源的开发和利用面临前所未有的机遇和挑战。光电化学分解水集太阳能转换和电解水为一体是理想的制备清洁能源的方法之一。本项目拟以多级结构无机插层材料LDHs的可控制备为研究基础，设计合成LDHs纳米片阵列，半导体金属氧化物/LDHs核壳式纳米阵列材料，并探讨其在光电化学分解水制氢领域的应用。通过调控LDHs的组成和结构，从材料能级结构、表面化学反应等方面优化其光电化学分解水的性能；研究金属氧化物与LDHs的晶相结构、化学键性质及材料的能级、能带及其电子结构与光电化学分解水性能的关系，强化光能、电能到化学能转化的途径和效率，从而为光电化学分解水材料的设计和性能强化提供新思路和一定理论支持。本课题的开展对于推动新型清洁能源的研究具有重要意义和潜在应用前景。

由于全球环境和能源危机的不断加剧，新型清洁化学能源的开发和利用面临前所未有的机遇和挑战。光电化学分解水制氢实现了太阳能到化学能的转化，是制备清洁能源理想的方法之一。本项目以具有电催化或光催化活性的无机插层材料LDHs的可控制备为研究基础，深入开展了其在光电化学分解水性能调控方面的研究工作：实现了LDHs类电催化、光催化材料的设计与制备，发展了一系列基于LDHs纳米阵列材料的可控制备方法，并用于光电催化分解水制氢；通过调变半导体金属氧化物纳米阵列结构和组成，以及LDHs层板金属元素组成、层间客体以及纳米结构和形貌特征，实现了高效的金属氧化物光催化剂/LDHs电催化剂复合光电化学分解水纳米阵列材料的设计，制备了一系列金属氧化物光催化剂/LDHs电催化剂复合纳米阵列材料；探索了电极材料的组成、微纳结构、主客体之间的协同效应等对材料性能的影响规律，发现金属氧化物与LDHs的晶相结构、化学键性质及材料的能级、能带及其电子结构与光电化学分解水性能有密切联系，从而为为光电化学分解水材料的设计和性能强化提供新思路和一定理论支持。相关工作在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Energy等发表SCI研究论文13篇，其中影响因子10以上的论文5篇，申请国家发明专利5项，获授权专利1项。本项目的开展对于推动新型清洁能源的研究具有重要意义和潜在应用前景。