稳定高效的SiC基半导体可见光催化全解水制氢研究

Compound semiconductors are a major class of materials acting as photocatalysts for conversion of solar energy into hydrogen by splitting water. However, the photocatalysts with high solar-energy conversion efficiency that can be used practically for water splitting still need to be further explored. Silicon carbide, a well-known semiconductor with tunning band gaps, is finding more and more applications in the recent years. It should be an ideal visible-light-driven photocatalyst in terms of appropriate band gap and CB position, high charge-carrier mobility, chemical stability, low cost and environmental friendliness. In this proposal, we will focus on studing Z scheme photocatalytic mechanism in order to enhance SiC photocatalytic activity by overall splitting water under visible-light irradiation. The influence of majority carriers in P-type or N-type SiC will be determined to understand the separation and migration of photo-excited carriers in a Z-scheme photocatalyst system. It is necessary to extend the response range of visible-light (e.g. from 420 to 600 nm) by deep-level doping of SiC with the different crystal structures. The solid photocatalyst interface is also needed to be studied when introducing a solid electron mediator. The research will facilitate the new enhanced photocatalysts and understand the limit factors for overall water splitting under visible-light illumination.

化合物半导体是一类重要的太阳能分解水制氢催化剂材料，然而转化效率高且得到实际应用的催化剂体系还需大力研发。禁带宽度可调、应用广泛的SiC具有化学性质稳定、高电子迁移率、价格低廉、环境友好等特性，是一种理想的可见光响应催化剂。本项目在前期SiC可见光催化分解水制氢的基础上，拟以提高SiC可见光全分解水催化活性为研究目标，构建SiC为核心产氢催化剂的Z型光催化体系，系统研究该类催化体系光催化全解水微观机制。通过SiC的p型或n型浅能级掺杂，研究半导体多子类型及其浓度对光生载流子传导分离的影响；对不同晶型SiC进行深能级掺杂，研究掺杂对SiC扩展半导体可见光响应范围的促进机制；引入高导电性固体媒介，研究溶液pH值、媒介/（助）催化剂界面性质、载流子传导等与催化效率的关系，力争开发出性能优良的新型光催化全分解水体系，挖掘SiC在光催化研究领域应用潜力，搞清楚限制半导体全分解水制氢效率的影响因素。

禁带宽度可调的化合物半导体是一类重要的太阳能分解水制氢催化剂材料，然而转化效率高且得到实际应用的催化剂体系还需大力研发。应用广泛的SiC具有化学性质稳定、高电子迁移率、价格低廉、环境友好等特性，是一种理想的可见光响应催化剂，然而存在光生载流子复合快，寿命短，快速导出渠道尚需优化等问题。本项目充分抓住不同晶型的SiC表面具有相异表面的特点（表面悬挂键不同，带来极性不同），原创地提出了具有6H-SiC光生电子和空穴不同晶面区域选择分布的特性，研究表明此特性与其晶面的极性密切相关。利用金属和金属氧化物作为分子探针，分别标定了SiC表面光生电子和空穴在其不同晶面分离、转移、富集的过程，并对这一过程进行了理论计算模拟，深入研究了引起SiC表面光生电荷呈现区域分布的作用机制，以及SiC光生电荷的表面分布与其表面极性的关联性。利用SiC的这一规律实现了还原和氧化金属助剂（或者半导体助剂）在SiC表面的空间区域选择分布，同时也实现了氧化反应位点和还原反应位点的有效分离。这种定向结构设计，极大地提升了催化剂体系光生电子和空穴的分离效率，并有效地促进了其表面还原反应和氧化反应的进行，从而提高了SiC基催化剂的催化性能。在此基础上，通过复合其他半导体催化剂（CdS、BiVO4等） 或导电层石墨烯构成异质结，探讨晶面匹配效应优化半导体界面性质。研究表明，H-CdS和H-SiC的价带导带位置更为匹配，形成的Z型载流子转移体系具有更强大的内建电场以促进电子空穴的分离。利用液相传导媒介，构建了分别以WO3与Pt/SiC为产氧、产氢催化剂，IO3-/I-为离子对的Z型光催化全解水体系，研究了SiC催化剂助剂负载浓度、氧化还原离子对种类及浓度、溶液pH、固体导电层等因素对光催化全分解水体系性能的调控机制。通过这些研究成果，更深入地认识了SiC基催化剂可见光分解水反应机制，为全解水产氢的认识规律奠定基础。