基于碳量子点的多组分高效光解水催化体系设计

In the face of the great demand of solving energy crisis and environmental pollution problems, sunlight is utilized to achieve hydrogen and oxygen production by water splitting reaction. On the basis of our previous work, this project designs efficient composite catalytic system of water photolysis by using inverted opal of typical inorganic materials (TiO2 etc.) as catalyst support, and combining the fluorescent and photoelectric properties of carbon quantum dots, metal nanoparticles and polyoxometalates. We regulate the fluorescence of carbon quantum dots and optimize the photoelectric properties of composite system, aiming at its efficient light absorption, light conversion, energy transfer and electronic conduction and separation to improve the utilization of sunlight. Finally, we will realize entirely water photolysis activated by visible light and acquire H2 and O2 simultaneously without any sacrificial agents or additives. The relevant work focuses on the multi-component system design and different materials complementation. The implementation of this project has an important academic meaning and prospect of deepening the surface and interface research of nanocomposites, and developing green energy and solving environmental contamination.

面向解决能源危机与环境污染问题的重大战略需求，利用太阳光实现水的完全分解来制氢、制氧是一条理想的新能源路线。本项目将结合碳量子点，金属纳米粒子，多金属氧酸盐的荧光与光电化学性质，以典型无机材料（TiO2等）的反蛋白石结构作为催化剂载体，设计和构筑高效的多组分光解水催化体系。调控碳量子点的荧光性质，优化复合体系的光电化学性质，瞄准该体系对可见光的高效光吸收、光转换、能量传递以及电子传导与分离，提高该体系对太阳光的利用率。最终在不需要任何牺牲剂和助剂的条件下，实现可见光激发的高效完全光分解水，同时获得H2和O2。研究工作着眼于多组分体系的功能设计以及不同材料之间的性质协同、互补。本项目的开展无论是对深化纳米复合体系的表面/界面研究，还是对于开发绿色能源与解决环境污染等都具有重要的学术意义和实用前景。

面向解决能源危机与环境污染问题的重大战略需求，利用太阳光实现水的完全分解来制氢、制氧是一条理想的新能源路线。本项目基于碳量子点（CQDs）优异的物理化学特性，围绕构筑基于CQDs的光解水复合催化剂开展了一系列创新性的研究工作。实现了CQDs的可控合成与大量制备；考察并优化了CQDs光电化学性质，通过多元素掺杂、表面修饰、钝化、可控组装等手段与其他化合物复合，制备N、P、S、B、Co等不同元素掺杂的CQDs，并调控其吸收、荧光、手性、掺杂等物理化学性质；构筑了基于 CQDs的复合光催化体系，并用于可见光分解水，考察的催化剂体系主要包括C3N4/CQDs, Fe2O3/CQDs, BiVO4/CQDs, BiVO4/CQDs/CdS, CoMn-S/CQDs, CQDs/CoO, CQDs/CdS等；除了上述既定的研究内容以外，还探讨了CQDs作为高效电催化剂，用于氧还原反应、析氢反应、CO2还原、甲醇氧化等。. 依托本项目，在Science, Nature Commun., Adv. Mater.等高水平杂志上共发表论文101 篇。其中1篇论文被Science 评为“Top 10 Solar Fuels paper of 2015”（排第一），该论文被评为“2015 年中国百篇最具影响国际学术论文”，研究成果被评为“2015 年度中国十大科学进展”之一。 . 项目执行期间，项目负责人入选 2017 年国家杰出青年，2017年科技部中青年科技创新领军人才，2018年江苏省特聘教授。2018年受邀成为英国皇家化学会会士，并入选2018年全球高被引科学家（交叉学科）。此外，研究团队还有教授1人，副教授1人，助理研究员1人。其中，刘阳教授2018年入选江苏高校“青蓝工程”青年学术带头人，江苏省“六大人才高峰”高层次人才，并入选2018年全球高被引科学家（交叉学科）。共培养博士后 1 人，博士生 7 人，硕士生 20 人，其中5名研究生获得研究生国家奖学金。