用于二氧化碳光催化转化的半导体-金属复合结构的设计与合成研究

Catalytic conversion of carbon dioxide to fuels will play an important role in the future energy and environmental applications. In recent years, semiconductor-metal hybrid structures have attracted tremendous attention as their Schottky barrier can improve electron-hole separation. Despite the progress in the field, their reaction activity and selectivity in the photocatalytic conversion of carbon dioxide need to be further improved. In this project, we propose to design the photocatalysts for carbon dioxide reactions by modulating the surface and interface of p-type semiconductor-metal hybrid structures, with a focus on their charge transfer behavior. A combination of controlled synthesis, advanced characterizations and theoretical simulations will be employed to facilitate the research. The research will include: (1) screen p-type semiconductor and metal materials for hybrid structures and develop synthetic methods for the structures; (2) design novel semiconductor-metal hybrid structure models to guide charge flow and synergize several important charge transfer processes; (3) establish relationship between semiconductor/metal surface facets and molecular adsorption/activation. Further, we will develop large-scale synthetic methods for hybrid-structure photocatalysts with high catalytic activity and selectivity. This project will not only provide important information for experimental and theoretical studies, but invent novel photocatalytic materials for our country.

二氧化碳转化燃料的催化反应在未来的能源环境应用领域中将起很重要的作用。近年来，半导体-金属复合结构由于其肖特基势垒可促进电子-空穴分离，已经引起广泛关注并取得了一些进展，但是其在二氧化碳反应中的光催化活性与选择性有待进一步提高。我们在本项目中基于电子结构和电荷迁移行为调控，协同合成、表征和理论等研究手段，提出通过p-型半导体-金属复合结构的表面与界面结构优化来设计复合光催化剂的构想和实施计划。研究重点主要包括：（1）筛选p-型半导体和金属组成单元的材料类型并发展其复合结构合成方法；（2）发展适于调控电荷迁移行为的半导体-金属复合结构类型；（3）建立复合结构中的半导体及金属表面晶面与分子吸附活化的依赖关系。在此基础上，发展宏量制备方法，合成与设计出具有高光催化活性及选择性的复合结构催化剂。本项目的成功实施，不仅能在理论和实验上产生原始创新的新成果，而且能得到拥有自主知识产权的新型光催化材料。

二氧化碳转化燃料的催化反应在未来的能源环境应用领域中将起很重要的作用。近年来，半导体-金属复合结构由于其肖特基势垒可促进电子-空穴分离，已经引起广泛关注并取得了一些进展，但是其在二氧化碳反应中的光催化活性与选择性有待进一步提高。本项目针对该瓶颈问题，在筛选半导体和金属组成单元的材料类型并发展其复合结构合成方法、发展适于调控电荷迁移行为的半导体-金属复合结构类型、建立复合结构中的半导体及金属表面晶面与分子吸附活化的依赖关系等三个方面开展了系统工作。经过四年的执行，本项目组已经在复合光催化材料的合成方法学与机理探讨方面取得了突破性进展，并产生了许多未预期的新成果，辐射到其他一些催化领域（如电催化和有机催化反应体系）。通过该系列研究理清了光催化复合材料体系中表界面结构对于其催化活性及选择性的关键作用，并发展了宏量制备方法，合成与设计出了具有高光催化活性及选择性的复合结构催化剂。部分结果已在J. Am. Chem. Soc.（5篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（5篇）、Adv. Mater.（6篇）、Chem. Soc. Rev.（2篇）等国际重要期刊上发表57篇通讯作者论文，入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。已毕业13名博士生（1名获中国科学院院长特别奖）和4名硕士生，培养3名博士后，项目负责人获国家杰出青年科学基金资助，入选科技部中青年科技创新领军人才。