固态Z型Pt/Si-Gn-WO3材料光生电子行为及其光解水制氢性能研究

The use of photocatalytic water splitting for H2 production is an ideal way to solve the problems of energy crisis and environmental pollution in the future，which is of great significance to the sustainable development of human society. However, low solar energy utilization and photocatalytic quantum efficiency restrict the commercialization and industrialization of the technology of hydrogen production by water splitting at present. Inspired by the natural photosynthesis Z type reaction, solid-state Z-scheme Pt/Si-Gn-WO3 materials were prepared by setting surface/interface structure useful for improving solar energy utilization efficiency based on energy band theory and method. Silicon was selected as the catalyst for hydrogen production because of its advantages of good absorption of visible light and high reduction capacity and graphene was selected as the mediator because of its advantages of good transparency, conductivity and high specific surface area. The rate-limiting steps of photoinduced electron transfer process could be studied based on the analysis of the photoinduced charge behavior of Pt/Si-Gn-WO3 interface. Then the structure of photocatalytic materials can be optimized pertinently to improve the separation ability, transfer rate and reducibility of photo generated carriers. The optimized materials would be used for the study on hydrogen production by solar water splitting to improve the photocatalytic properties. The above research can provide new ideas and theoretical basis for improving the efficiency of photocatalytic hydrogen production, and it is of great significance to promote the development of photocatalytic hydrogen production.

利用太阳能光解水制氢被认为是未来解决能源危机和环境问题的理想途径之一，对人类社会可持续发展具有重要意义。但目前太阳能利用率、光催化量子效率低等因素限制光解水制氢技术商业化和工业化应用。受自然界光合作用Z型反应启发，选用可见光吸收利用能力良好、还原能力较高的硅作为产氢催化剂，选用具有良好透光性、导电性和较高比表面积的石墨烯作为介体材料，利用能带调控理论和方法构建利于提高太阳能利用效率的表/界面结构，制备固态Z型反应光催化剂Pt/Si-Gn-WO3材料，通过对该材料界面光生电荷行为解析，探究光生电子在传递过程的限制步骤，进而对光催化材料的结构进行优化，提高光催化材料光生载流子分离能力、传输速率和氧化还原能力，应用于太阳光分解水制氢研究，提高材料的光催化产氢活性。上述基础研究可为提高太阳能光催化分解水产氢效率提供新的思路和理论依据，对光催化分解水产氢技术的推动和进步具有重要意义。

氢能源作为清洁高效的二次能源被认为是未来解决能源危机和环境问题的理想途径之一。利用太阳能作为氢能形成过程中的一次能源，使氢能开发展现出更加广阔的前景。太阳光能的利用率较低、光催化量子效率不高以及光催化材料本身存在一些问题等原因是限制光解水制氢技术应用的主要瓶颈。如何构建利于提高太阳能利用效率的表/界面结构，如何提高光催化材料光生载流子的分离能力、传输速率和氧化还原能力，已成为提高光催化分解水产氢效率的关键科学问题。石墨烯相氮化碳（g-C3N4）是一种有效的可见光响应光催化材料，在光解水制氢中表现出优异的性能。本研究以三聚氰胺为前驱体，通过调整合成温度，制备一系列具有不同能带结构的氮化碳材料。研究发现改变合成温度可以影响材料的七嗪环的平面结构，从而产生新的激发方式，显著提高材料在可见光区域光响应，有效调控材料的禁带宽度。之后采用两步剥离法得到薄层窄带隙g-C3N4纳米材料，提高材料比表面积，提供更多的活性位点，提升材料的光生载流子的分离效率。g-C3N4材料和BiOI材料都是典型的层状结构，且导价带位置相互匹配，符合Z型光催化体系的要求，在前期工作基础上，采用水解法，以Bi(NO3)3•5H2O和KI为前驱体，通过水浴法原位合成了不同BiOI含量的二维Z型g-C3N4/BiOI催化剂。测试表征分析得到两种材料都为二维纳米材料且两相之间形成了有效界面，存在相互作用。二维Z型光催化体系的构建使得电子和空穴可以实现空间上的分离，氧化半反应和还原半反应发生在不同的催化剂上，提高复合材料的光生载流子分离能力。本研究通过纳米尺度的多功能化集成式优化设计开发高效光催化剂系统，实现光催化分解水系统中光吸收与光生载流子基本行为等诸多因素匹配的物理参数调控，对光催化分解水产氢技术的推动和进步具有重要意义。