过渡金属磷化物对异质结界面电子的高效电子桥转移效应研究

It is an important method to achieve efficient separation of interfacial electrons using noble-metals with good electrical conductivity as electron-bridge. However, the price of noble-metals is quite high. Transition metal phosphides (MP) praised as “quasi-platinum catalyst” not only have the similar property as noble-metals, but also has low cost and simple fabrication method, and therefore, MP have huge potential to be applied as novel kind of electron-bridge. In this proposal, using photocatalytic overall water splitting as probe, ternary-component CdS/Ni2P/g-C3N4 composite is selected as a model to study the controlled assembly and interface properties, photocatalytic activity and interfacial electrons transfer pathway. With the help of experimental tests of energy band structure and photoelectric performance of heterojunction, together with the theoretical calculation of crystal face work function, the electron-bridge mechanism that Ni2P participates in and accelerates the interfacial electron transfer is clarified. Furthermore, the application of MP electron-bridge in A/MP/B general system will be extended to provide a useful reference for exploring the electron-bridge with high efficiency and low cost. The successful development of the above research has important theoretical and practical significance for enriching the types of solid-state electron-bridge, reducing interfacial electron transfer resistance, improving interfacial electron separation efficiency and significantly enhancing photocatalytic activity.

以良好导电性的贵金属为电子桥是实现界面电子高效分离的重要方法。然而，贵金属的价格昂贵。过渡金属磷化物（MP）被赞誉为“准铂催化剂”，不但性能接近贵金属，而且价格低廉、合成简单，所以将MP作为一类新型的电子桥潜力巨大。本课题拟以光催化全分解水为探针，研究新型三组分CdS/Ni2P/g-C3N4模型体系的调控组装与界面性质、光催化活性以及界面电子转移途径。借助异质结的能带结构、光电性能等实验测试，结合晶面的功函理论计算，阐明Ni2P参与并加速界面电子转移的电子桥机制，拓展MP在A/MP/B通用体系中的电子桥应用新模式，为探索高效、低成本的电子桥提供有益的借鉴。以上研究的成功开展对丰富固态电子桥类型，降低界面电子传输阻力，提高界面电子分离效率，显著增强光催化活性具有重要的理论和实践意义。

利用太阳光驱动半导体产生的活泼载流子分解水产生清洁能源H2、分解有机污染物、将二氧化碳还原成为甲烷和一氧化碳等燃料，是实现国家“双碳”战略的重要方法之一，也为人类解决化石能源危机提供了一个完美的解决方案。为了达到以上目标，构建具有高效载流子分离效率的复合光催化剂一直是研究的重点课题。.本工作设计了S/Ni12P5/Cd0.5Zn0.5S、BiOBr/Ni2P/g-C3N4、BiVO4/Ni2P/g-C3N4和BiO1-xCl/CoP/g-C3N4等具有过渡金属磷化物（MP）的三元复合光催化剂，研究MP在光生载流子分离中的重要作用。结果表明，以上复合光催化剂分别在光催化分解水产氢、污染物降解和二氧化碳还原反应中具有优异的光催化活性。实验和理论计算表明，Ni12P5在II型异质结S/Ni12P5/Cd0.5Zn0.5S体系中分别作为S和Cd0.5Zn0.5S的导带之间、价带之间的电子桥，使活性进一步提高了2.9倍。Ni2P在S型异质结BiOBr/Ni2P/g-C3N4体系中作为BiOBr的导带和g-C3N4的价带间的电子桥。进一步的研究发现，BiVO4/Ni2P/g-C3N4体系中，Ni2P的位置不仅介于BiVO4/g-C3N4之间，也有部分仅负载在g-C3N4表面，在光催化CO2还原耦合四环素氧化活性实验中，Ni2P展示出了电子桥和共催化剂的协同效应。相比CH4而言，CO为主产物。在BiO1-xCl/CoP/g-C3N4体系中，CoP也有类似的协同效应。另外，我们也拓展研究了具有Ag电子桥的AgI/Ag/BiOCl和具有氧空位电子桥的Ag/AgI/BiO1-xBr三元复合体系。.以上研究成果均显示出过MP在三元体系中的活性增强效应以及内在的电子桥机制，适用于II型、S型和Z型等多种类型的复合光催化体系，对于深入理解和认识MP的新应用和新机制起到良好的推动作用，为进一步寻找新型、价廉、高效电子桥提供有益参考。