直接Z型光催化材料界面能级结构调控提升水分解性能研究

The research and development of the all-inorganic Z-scheme photocatalytic water splitting system mimicking the natural photosynthesis is an important issue in clean energy area. The direct Z-scheme system without electron mediator has a simpler structure, while, it puts forward to higher requirement for regulation of the interfacial charge transfer. This project plans to adjust the interfacial band structure of several direct Z-scheme photocatalyst by decreasing the potential difference of the interfacial charge transfer and develops a simple way to enhance the photocatalytic water splitting performance of the direct Z-scheme system. We first constructg-C3N4/BiVO4, g-C3N4/TiO2, g-C3N4/WO3, and Cu2O/BiVO4 direct Z-scheme system. The interfacial band structure is adjusted by the different Fermi level and band structure of the semiconductors. Afterwards, the interfacial band bending and charge transfer potential difference are optimized to promote the interface charge transfer. Furthermore, the interfacial charge transfer potential difference of the g-C3N4/BiVO4 and Cu2O/BiVO4 direct Z-Scheme system is finely adjusted by the defect levels, which realizes the quick recombination of the interfacial charges. In view of the adjustment of the direct Z-scheme system, this project can deepen the knowledge of the relationship between the interfacial band structure and charge transfer and provide reference for developing highly efficient photocatalytic water splitting system.

研发全无机Z型光解水系统模拟植物光合作用高效分解水制氢是清洁能源领域的重要研究课题。直接Z型体系因无电子介体结构简单，但对其界面电荷转移的调控提出了更高要求。本项目拟从降低界面电荷转移电位差的角度对几类直接Z型体系进行调控，探索提升直接Z型体系高效光解水的简单途径。构建g-C3N4/BiVO4，g-C3N4/TiO2，g-C3N4/WO3，Cu2O/BiVO4直接Z型体系，利用不同半导体费米能级和能带位置差异调控界面能级结构，优化界面能带弯曲，降低界面电荷转移电位差；进一步在g-C3N4/BiVO4和Cu2O/BiVO4两种直接Z型系统界面体系中引入氧缺陷能级，利用氧缺陷浓度对其缺陷能级位置的可控性，精确调控界面电荷转移电位差，促进Z型电荷转移过程，提高光解水性能。本项目从直接Z型系统界面能级结构设计出发，深入对界面能级结构与电荷转移关系的认识，为未来高性能Z型光催化反应体系研发提供参考。

背景：半导体光解水制氢技术是将太阳能转化为高热值氢能，具有广阔发展前景。直接Z型光催化系统结构简单、相较于单一光催化剂光能利用率高，氧化还原能力强。然而不恰当的界面能级结构会对载流子转移和复合造成阻碍，从而影响光解水性能，界面能级结构的调控对实现高效光解水产氢性能具有重要意义。.主要研究内容：本项目以g-C3N4、TiO2和WO3为基础材料，设计构造直接Z型光催化剂实现太阳能光解水制氢，基于界面调控出发，研究界面载流子转移动力学过程。构建Z型g-C3N4/TiO2和g-C3N4/WO3异质结材料，实现Z型光解水制氢；研究氧缺陷型TiO2和WO3的结构和光催化性能关联；通过氧缺陷调控界面能级结构，在TiO2和WO3中引入氧缺陷，降低g-C3N4光生空穴和金属氧化物光生电子电位差，促进界面电荷Z型转移，提升光解水性能。.重要结果：g-C3N4/TiO2界面电荷Z型转移势垒过高，电荷转移为传统II型和Z型竞争过程，复合结构光催化性能低于单一光催化剂。g-C3N4/WO3易于形成Z型电子转移占主导的界面能级结构，从而复合结构光催化性能高于单一光催化剂。TiO2和WO3氧缺陷均以氧空位和低价态金属阳离子形式存在，在导带下方形成不连续杂质能级，拓宽太阳光谱吸收范围，促进光生载流子的分离，提升光催化性能。因此在g-C3N4/TiO2中引入氧缺陷可以降低界面Z型电子转移势垒，形成界面电荷Z型转移通道，同时增强可见光吸收，从而提升产氢速率。在g-C3N4/WO3中引入氧缺陷也可以降低界面Z型电子转移势垒，且增强可见光吸收，提升产氢速率。.关键数据：g-C3N4/氧缺陷TiO2产氢速率在太阳光和可见光照下分别为1938和287μmol·h-1·g-1，是g-C3N4/TiO2的3.4和2.8倍；g-C3N4/WO3产氢速率分别为3283和556μmol·h-1·g-1，是g-C3N4的2.6和2.5倍。g-C3N4/氧缺陷WO3产氢速率分别为4283和674μmol·h-1∙g-1，是C3N4/WO3的1.3和1.2倍。.科学意义：基于直接Z型体系的界面能带工程，探究界面能级结构对电荷转移和光催化活性的影响机制。利用缺陷能级调控系统界面能级结构，降低界面电荷转移电位差，促进强氧化还原能力电子空穴的分离，实现高效光解水活性。