掺杂氧化铁超晶格纳米结构的自组装生长及其光电化学性能研究

廉价、环境友好、高太阳光利用率的氧化铁（α-Fe2O3）在太阳能分解水制氢与光催化领域具有重要的应用。然而氧化铁短的空穴扩散距离、低的电导率阻碍了其光电转换效率的进一步提高，掺杂与纳米结构化是解决此问题的两个关键途径。基于掺杂氧化铁超晶格纳米结构这一全新研究对象，针对其关键的材料、物理科学问题，本课题拟开展以下主要内容的研究：采用液相激光熔蚀（LAL）技术，实现掺杂α-Fe2O3超晶格纳米结构的自组装与掺杂比例可控，通过原子尺度精细结构表征揭示掺杂元素的原子、电子结构，测试掺杂纳米结构组装薄膜电极的光电化学性能，评估掺杂结构用于典型有机污染物光降解的催化活性，分析掺杂与纳米化在改善α-Fe2O3光电化学活性中的物理机制与规律。课题的开展将引领LAL技术应用领域的前沿创新，增加极端环境下纳米结构组装的物理、材料学知识，为α-Fe2O3纳米结构在能源与环境领域的应用提供重要科学依据。

Fe2O3是一种典型的氧化物半导体光电极材料，廉价、在水溶液中具有很好抗光腐蚀能力、无（低）毒性，太阳光利用率可达到40%。然而其短的空穴扩散距离、间接带隙、较高的电阻、相对于水还原制氢电势较正的导带位置，制约了Fe2O3光转换效率提高与实际应用。掺杂纳米结构的尺寸、高活性表面效应，增强了Fe2O3的光转换效率，为其光电化学性能的提升提供了机遇。本项目旨在发展一种基于液相激光熔蚀新的制备组装技术，高质量、可重复构筑掺杂氧化铁纳米结构；基于单个掺杂纳米结构的精细表征与分析，诠释特定掺杂的类型、占位，及掺杂引起的晶格畸变、近邻配位结构变化特征，在原子尺度上确立氧化铁中掺杂离子的相关科学事实；在光电化学性能、光催化活性测试评估的基础上，揭示掺杂、纳米结构化（如形貌、尺寸、表面等效应）对氧化铁光活性行为影响的物理机制与规律。截至项目结题，项目组通过普适性的液相激光熔蚀-水热反应相结合的新型掺杂技术实现了Ge，Si，Mn，Sn，Ti五种杂质原子的有效掺杂。项目开展了参杂结构的光电化学性能测试，发现载流子密度和α-Fe2O3的纳米结构相互影响着α-Fe2O3纳米晶光电化学性能。项目的顺利施行，不仅引领了LAL技术应用领域的前沿创新，而且增加了人们关于纳米尺度下材料生长的物理学、材料学知识，为新型功能纳米结构合成的理论设计提供了翔实的科学依据。