准二维贵金属-半导体等离子增强光催化异质界面的设计、构筑及光电化学过程研究

Titanium dioxide (TiO2) has been the most famous photocatalysts for pollution degradation owing to its nontoxicity, relatively low-cost and excellent chemical stability. However, its narrow spectral response as well as low quantum efficiency greatly limit the practical applications. Facilitating the charge separation and enhancing the visible light response have gradually been in a hot research. In our future work, we want to design and prepare the quasi-two-dimensional enhanced plasmonic noble metal-semiconductor heterojunction interface based on TiO2 nanosheets with high exposed {001} facets by the theory of semiconductor energy-band engineering and noble metal enhanced plasmonic effect. The light absorption, carrier transport, recombination and separation of photocatalyst will be studied by the interface structure, electronic structure and energy-band structure. The separation effect and the life of carriers will be studied by electrochemical process and spectral methods irridated by light emitting diode (LED) light with tunable energy and wavelength. The purpose of this study is to explore 3-5 quasi-two-dimensional enhanced plasmonic noble metal-semiconductor with high visible light absorption rate and high quantum efficiency, reveal the key factors of interface bonding methods, structure, light absorption, carrier transport and photocatalytic performance and put forward new ideas to promote development of novel high efficiency visible light photocatalysts.

二氧化钛具有化学稳定性好、无毒和廉价等特点，是解决环境污染问题的理想材料。制约其广泛应用的关键是光谱响应窄和量子效率低。扩展二氧化钛的可见光响应和提高有效光生载流子分离成为研究热点。本研究拟根据半导体能带工程理论和贵金属等离子体共振效应，设计和制备基于高暴露活性{001}面二氧化钛纳米片的准二维贵金属-半导体等离子增强光催化异质结界面结构，通过研究材料微观界面结构、电子结构和能带结构对复合材料的光吸收特性、载流子输运及其复合、分离的影响规律。以能量和波长可调LED为激发光源，利用光电化学过程和光谱手段探索光激发载流子分离效果和寿命，最终探索出3-5种具有高效可见光吸收率和高量子效率的准二维贵金属-半导体等离子复合光催化材料，揭示这些复合材料的界面结合方式、结构、光吸收特性、载流子输运及其光催化性能等之间相互联系和相互影响的内在机制，为设计新型高效的可见光光催化材料提供理论和实验依据。

准二维高效可见光贵金属-半导体等离子增强光催化材料的设计，能够从光催化材料的可见光利用率和提高量子效率。本项目通过设计贵金属形貌、结构以及大面积准二维贵金属-半导体异质耦合界面，利用光催化、光电化学和光谱手段研究新型金属-半导体等离子增强光催化材料的晶体结构、电子结构、界面微结构和材料的尺寸效应对光催化量子效率的影响，利用能带设计结合分子轨道理论和第一性原理计算，初步探明新型贵金属-半导体等离子增强光催化材料有效载流子分离机理。在本项目资助下，共计发表SCI论文45篇，申请专利7项，获授权发明专利3项。主要工作如下：.（1）大面积(001)高催化活性面二氧化钛纳米片的合成，在此基础上通过与CdS-DETA，CdSe-DETA等半导体杂化材料复合，提高半导体与半导体之间接触界面，大大提高载流子分离效率，提升光催化性能，并且在循环测试时表现出良好的稳定性。.（2）大面积准二维贵金属-半导体等离子增强光催化复合材料的设计构筑，利用二维多孔石墨氮化碳(Pg-C3N4)为基底材料，通过化学沉积方法成功地合成了包含Ag纳米粒子的Pg-C3N4/Ag3VO4复合材料。通过调控了纳米颗粒的表面等离子体共振效应，调整其对可见光的吸收，并提高复合材料界面面积，使得Pg-C3N4/Ag3VO4的次甲基蓝降解效率在8分钟内达到99.3％。.（3）非贵金属助催化剂增强光催化活性的研究，用于取代当前常规使用的Pt，Pb，Au等资源稀缺的贵金属，进一步降低光催化剂成本，提高载流子分离效率，提升光催化效率。通过设计出非贵金属助催化剂Ni2P担载梯型SnNb2O6/CdS-DETA纳米复合材料，其产氢速率达到11992 μmolg-1 h-1，是CdS-DETA纳米片的3.6倍，约为普通CdS纳米棒的10倍，并大大提高了光催化剂的稳定性。.（4）复合材料的光电过程机理研究。如Bi2MoO6/CdSe-DETA复合材料有着非常好的可见光响应，通过研究反应物与产物之间的相互作用的光电化学过程可以发现其产生的光电流远高于纯CdSe和CdSe-DETA，表明该光催化剂具有更高的光生电子和空穴对分离的效率，并表现出优异的光催化H2生产性能（5.92 mmol g-1 h-1），分别比纯CdSe和CdSe-DETA高3.6倍和1.8倍。