可控原子数Au团簇/TiO2纳米复合材料的构筑及其光解水产氢性能的研究

Developing novel visible-light-responsive catalytic materials, which can covert solar energy into hydrogen via water photolysis is of great importance both in fundamental science and industrial applications. Atomically precise Au nanoclusters (NCs)/TiO2 composites have been one of the promising novel materials due to their ordered nanostructures and straightforward structure-properties relationships. In this project, selective adsorption and atomic layer deposition are used to explore new paths for the synthesis of atomically precise Au NCs/TiO2 ordered nanocompoistes, and the combination scheme of these two components will be discussed. By fine tuning the number of Au atoms and TiO2 ordered nanostructure, the surface and interface structures of the composite will be studied on atomic level. According to the structural features of Au NCs and their interaction with TiO2, the active sites，the transfer of photo-generated electrons and reaction mechanism in water photolysis to produce hydrogen by these composites will be investigated, to better illustrate the close relationships between the microstructures and properties for hydrogen productions. This project not only paves the new path for the synthesis of novel materials for water photolysis to produce hydrogen by solar energy, promoting the overlapping of chemistry, energy, environment, materials and other disciplines, but also providing theoretical and experimental foundations for the study of the application of solar energy.

研制和开发新型可见光响应的通过光解水将太阳能转化为氢能的催化材料有重要的科学意义和实用价值。可控原子数Au团簇/TiO2复合材料，因其单一有序的微观结构而形成相对直接的构效关系，成为其中极具应用前景的新材料之一。本项目拟用选择性吸附和原子层沉积技术探索可控原子数Au团簇/TiO2有序纳米复合物制备的新途径，研究二元复合物团簇和TiO2的复合机制。精细调控复合材料中Au团簇原子数和TiO2纳米有序结构，在分子原子水平研究复合材料的界面结构和表面结构。依据Au团簇结构特性和其与TiO2的相互作用在光解水反应中探讨反应活性位点、光生电子传输行为和由此引申出的反应机理，深刻理解此复合材料的微观结构和光解水产氢性能之间的关系。本项目不仅为制备太阳能光解水转化制氢材料开辟了一条崭新的途径，促进化学、能源、环境、材料多学科交叉融合，也为太阳能应用研究提供了有效的理论和实验基础。

开发新型的、微观结构有序可控的纳米光催化材料，并将其应用于太阳能光解水制氢领域，具有重要的科研价值和实用价值。本项目基于可控原子数Au团簇（主要为巯基配体保护的Au25团簇），利用其可作为助催化剂有效实现光催化分解水产氢过程，将其与二氧化钛或者是石墨相氮化碳等常见的半导体光催化材料相复合，探索可控原子数Au团簇与纳米半导体复合材料制备的新路径。在可以有效制备此二元复合纳米光催化材料的基础上，精细调控团簇组成和半导体材料的纳米分级结构，制备了一系列团簇组成不同，半导体纳米结构迥异的复合材料，形成零维/一维或者零维/二维纳米异质结，在原子分子水平讨论复合材料的电子结构及其表面结构。依据所制得样品的光电转化效率，我们对于各类复合光催化材料的制备条件进行了优化，涉及到团簇与半导体材料的相对含量，团簇配体的保留或是去除，团簇自身组分的变化等。我们发现进行结构优化后的团簇/半导体纳米复合材料可有效的进行光催化分解水制氢的反应。依据Au团簇和半导体材料本身特性，我们探讨了在光催化产氢反应中的活性位点，光生载流子的生成及在界面的有效传输，催化剂表面水还原制氢的反应机理等，阐明此微观有序可控的异质结构和光催化产氢性能之间的构效关系。除此以外，本项目还对于可以与Au团簇复合的半导体材料的种类的扩充进行了一些有益的尝试，我们利用原子层沉积技术制备了氧化钛/石墨相氮化碳复合材料，利用水热法合成了氧化锌纳米线阵列材料并对其n型和p型半导体性质进行了调节。上述半导体材料均可在光催化分解水制氢反应，光催化分解有机污染物，光电响应的化学传感中有潜在的应用。这些研究成果对于团簇/半导体光催化材料异质结构的有效制备提供了新的思路，为光解水产氢材料研究提供了新的选项，为太阳能至氢能的有效转化提供了新的途径和科学依据。