太阳能燃料制备用原子尺度铋氧基化合物材料可控合成及构效关系研究

Photocatalytic solar fuels production represents one of the most potential strategy for replacing the dying-up fossil feedstocks and dealing with the environmental problems caused by the combustion of fossil fuels. However, this technology has not been widely applied because of its low solar energy conversion efficiency which is usually limited by the microstructure and the electronic structure of the semiconductor photocatalysts. In this project, high-performance atomic scale bismuth based oxide semiconductors are selected as the research objects. The crystal microstructure and the electronic structure of the photocatalysts will be systematically studied to reveal the basic mechanisms which influence the light response, charge carrier separation/migration, and reactants activation etc. This project aims at obtaining some high-performance visible light driven photocatalysts for solar fuels production based on these studies. The detailed studies including: (1) Theoretical calculation and analysis of the band structure and the associated charge carrier behavior of the atomic scale bismuth based photocatalytic material with different microstructures. (2) Controllable synthesis of atomic scale photocatalytic material with different microstructures and studying the influence of the microstructure on the separation and migration of photo-generated charge carriers in the atomic scale semiconductors. (3) Disclosing the intrinsic mechanisms on improving the photocatalytic performance by studying the relationships between the microstructure, the electronic structure and the photocatalytic activity via theoretical analysis and experimental observations. The successful implementation of this project will provide a scientific foundation for the design and synthesis of high performance atomic scale photocatalysts, and also provide an accessible approach for improving the solar energy conversion efficiency for solar fuels production.

化石能源枯竭及其使用带来的环境污染是全球面临的重大难题，光催化制取太阳能燃料是应对能源环境危机最具前景的方法之一。然而，目前光催化技术受材料微观晶体结构及能带结构限制，存在太阳能转换效率低等问题，成为制约该技术应用的主要瓶颈。本项目以高活性原子尺度铋氧基化合物材料为研究对象，对材料中受微观晶体结构及能带结构控制的光能利用、载流子分离/传输、反应物吸附活化等进行基础科学研究，以获得高活性太阳能燃料催化剂。具体包括：理论分析不同微观晶体结构的原子尺度光催化材料的能带结构及光生载流子分离/迁移情况；制备出理论分析设计的原子尺度光催化材料并实现可控合成。将实验结果与理论预测相结合，探索材料微观晶体结构，能带结构与光催化性能之间的关系，揭示原子尺度光催化材料性能提升的内在机制。本项目完成将为基于原子尺度调控的新型光催化材料的设计合成提供科学支撑，为解决太阳能转换效率低的难题提供研究思路。

化石能源枯竭及其使用带来的环境污染是全球面临的重大难题，光催化制取太阳能燃料是应对能源环境危机最具前景的方法之一。然而，目前光催化技术受材料微观晶体结构及能带结构限制，存在太阳能转换效率低等问题，成为制约该技术应用的主要瓶颈。本项目以高活性原子尺度铋氧基半导体光催化材料为研究对象，对材料中受微观晶体结构及能带结构控制的光能利用、载流子分离/传输、反应物吸附活化等进行基础科学研究，以获得高活性太阳能燃料催化剂。取得的具体研究结果包括：(1)基于理论分析计算，研究制备了一系列不同结构的原子尺度光催化材料；(2)研究了不同结构的原子尺度光催化材料中光能利用，反应物分子吸附活化及光生载流子的迁移复合情况；(3)分析表征了原子尺度光催化材料在模拟太阳光下光解水产氢，光催化还原二氧化碳以及光催化固氮制备太阳能燃料的性能；(4)通过以上研究结果，总结了原子尺度光催化材料微观晶体结构，能带结构与光催化性能之间的关系，揭示了原子尺度光催化材料性能提升的内在机制；(5)利用原子尺度光催化材料性能提升的内在机制指导了多种高效催化材料的合成，提高太阳能燃料制备效率的同时，大幅提高了产物选择性。本项目的研究工作，不仅为基于原子尺度调控的新型光催化材料的设计合成提供了科学支撑，还为解决太阳能转换效率低的难题提供了研究思路。