基于石墨烯为电子中介体的可控组装全固态Z-型光解水复合催化剂研究

Hydrogen generated from solar-driven water splitting has the potential to be clean, sustainable and abundant energy source. Construction of all-solid-state photocatalyst to split water completely into hydrogen and oxygen with no sacrificial reagent has been a hotspot in the research field of photocatalytic materials. Graphene is being more and more widely used in composite photocatalyst for its high specific surface area, exceptional mobility of charge carriers as well as high susceptivity for chemical functionalization. In this project, on the basis of Z-scheme mechanism, we synthesize a series of efficient photocatalytic semiconductor nanomaterials for hydrogen and oxygen evolution which are then modified and co-deposited on graphene sheets with covalent connection through a two-step method, in which graphene serves as electron mediator and efficient transport channel for efficient and fully photolysis of pure water. Moreover, with in-depth exploring and mastery of the carrier transporting mechanism of the photocatalytic system, we propose that the key factors for all-solid-state Z-scheme system running efficiently and enhancement of hydrogen production are the controllable flow and balance of carrier transporting inside the composite materials. This project is of remarkable significance for basic research of Z-scheme photocatalytic system and water photolysis as well as hydrogen evolution materials.

光催化分解水制氢是利用太阳能转化为化学能，以产生替代化石燃料的可再生清洁能源的重要途径。构建全固态光催化剂，在无牺牲剂的情况下将水完全分解为氢气和氧气，是光催化材料研究领域的重点和热点。石墨烯因其高比表面积、良好的载流子传输性以及易被化学修饰等特性，在复合光催化材料领域正在取得越来越广泛的应用。本项目拟根据Z-型光催化反应原理，选用一系列分别具有良好的析氢、析氧效率的光催化半导体纳米材料，经修饰后采用分步可控组装的方法与石墨烯化学连接，构筑全固态Z-型光解水复合催化剂，其中石墨烯作为电子中介和高效输运通道，以实现纯水的高效、完全的光解。同时提出Z-型光催化体系运行效率的关键影响因素是材料内部的载流子可控流动和平衡输运，拟通过深入探究载流子在催化体系中的输运机制，提高光分解水制氢的产率，对于Z-型催化体系的基础研究及其在光催化分解水制氢材料领域中的应用具有重要意义。

光催化分解水制氢是利用太阳能转化为化学能，以制造替代化石燃料的可再生清洁能源的重要途径。构建全固态光催化剂，将纯水完全分解为氢气和氧气，是光催化研究领域的重点和热点。本项目以制备全固态Z型全光解水催化剂为目标，基于直接Z型体系、上转换发光、多激子生成效应等原理，可控构筑二元、三元结构的复合光催化剂，实现近红外或紫外条件下的水还原产氢或纯水分解。对光催化剂内部的载流子流动机制和催化机理进行了深入研究。同时将项目研究内容适度扩展到反向杂化太阳能电池方面。截止到2016 年年底，本课题在复合材料光催化分解水以及杂化太阳能电池方面取得了阶段性的研究成果，主要包括：①合成了石墨相氮化碳/上转换碳量子点复合催化材料（g-C3N4/CQDs），首次实现了使用完全不含金属的光催化剂在近红外区分解水产氢；②在磷钨（WPO）复合氧化物表面成功构造氧缺陷，与部分还原石墨烯（PRG）制成全固态直接Z型光解水体系，首次实现了近红外条件下的Z型体系光催化纯水产氢；③设计并构筑了基于多激子生成效应（MEG，multiple exciton generation）的复合结构催化剂ZnO@PbS/GO ，使三组分催化剂通过共价键连接，首次实现了量子点材料的 MEG 现象在悬浮光催化体系中光解水制氢；④制备反向结构杂化太阳能电池器件，通过精确控制制备工艺和各功能层（电子传输层，空穴传输层，光活性层）的厚度，得到优化的电池器件，光电转换效率达到较好的水平。以上研究成果为宽光谱利用太阳能催化分解水提供了新思路、发展了新材料、建立了新策略、指明了新道路。