氧空位引起的半导体表面等离子效应及其在光催化中的应用研究

Photocatalysis is one of the most potential techniques to solve energy crisis and environmental pollution, and how to obtained semiconductors with wider absorption spectra is always a hotspot in photocatalysis research. Recently, it is proved that semiconductors have surface plasmon resonance (SPR) effect while doped with elements or vacancies, which provide new strategy to enhance the light harvesting ability of semiconductors. In this project, we proposed to utilize the SPR effect which induced by oxygen vacancies to expand the absorption spectrum of oxide semiconductors, and tune the SPR wavelength by adjusting the concentration of the oxygen vacancies. We will investigate the monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) and photocatalytic activity of the semiconductor under UV, Visible and infrared light irradiation respectively, and explore the mechanism of photo-carriers generation and transmission in semiconductor while irradiation under light with different wavelength. Illustrate the relationship among the oxygen vacancies concentration, SPR wavelength and photocatalytic activity of semiconductor. The project provides a new strategy to prepare plasmonic-photocatalysts without noble metal, which is important for enhancing the photocatalytic activity of semiconductors and promoting its practical application.

光催化技术是解决目前能源短缺和环境污染的有效手段之一，而如何提高半导体光催化材料的光谱吸收范围一直是光催化研究中的热点。近年来研究发现，通过掺杂或引入空位，半导体可产生表面等离子体共振效应，这为提高半导体的光吸收范围提供了新的途径。本项目在前期研究工作的基础上，拟利用氧空位引起的半导体表面等离子体效应来提高半导体的光谱响应范围，通过调节氧空位的浓度实现对半导体共振吸收波长的调控。研究半导体在不同波长光照下，特别是在表面等离子效应对应波长的光照射下的光电转化效率和催化活性，阐明表面等离子体效应下半导体中光生载流子产生、传递过程，揭示氧空位浓度、表面等离子效应对半导体光催化活性的影响规律以及调控机制。本项目的开展将对拓展表面等离子体光催化材料体系、提高半导体的光催化效率具有非常重要的科学意义及应用前景。

提高材料的光吸收效率是光催化研究中的重要课题之一。本课题重点研究氧空位自掺杂对半导体表面等离子体共振的影响，通过表面等离子体共振效应增加半导体对光的吸收，进而提高光吸收及光转换效率。在本项目的研究中，在氧空位引起的表面等离子体共振效应及光催化应用方面取得了一定进展，制备了一系列氧空位自掺杂的半导体材料，特别是对氧空位引起的半导体表面等离子体共振效应和其光催化活性之间的关系进行了探讨；同时将研究拓展到铜空位自掺杂的Cu2-xE（E=S,Se）材料，制备了具有表面等离子体共振效应的Cu2-xS和Cu2-xSe材料；具体来说，主要完成了以下几方面的工作：（1）制备了具有一维纳米结构的氧空位和Ti3+离子自掺杂的TiO2材料，研究了氧空位浓度对TiO2光吸收和光催化活性的影响，提出了相应的机理。（2）溶剂热法制备了W18O49纳米线，在红外光区域具有表面等离子体共振吸收，同石墨烯复合后，在800nm以上的红外光照射下具有优异的光催化降解活性。（3）溶剂热法制备了Sn2+离子自掺杂的SnO2-x材料，研究了Sn2+掺杂对SnO2能带结构和光催化活性的影响。（4）热注入法制备了具有铜空位的Cu2-xSe量子点材料，研究了铜空位引起的Cu2-xSe的表面等离子体共振现象，同时将Cu2-xSe作为光敏化材料同TiO2纳米线复合，制备得到了Cu2-xSe@TiO2复合材料。（5）利用热分解法制备了具有铜空位的Cu2-xS量子点材料，研究了铜空位引起的Cu2-xS的表面等离子体共振现象，通过前驱体的原位热分解得到了Cu2-xS@TiO2一维纳米复合材料。在本项目资助下，取得了一系列的创新性研究成果，发表SCI论文12篇，授权发明专利5项,申请发明专利2项。圆满完成了预期计划和预定目标。