量子点异质结/一维有序阵列复合光催化体系的组装、载流子迁移及光解水研究

利用太阳能光解水制氢是新能源领域中最活跃的研究课题之一，而设计高活性可见光催化剂是提高氢气生成效率的核心问题。一维有序纳米阵列独特的微观几何结构，使其具有载流子分离效率高、催化活性强等优势。为此，在前期的工作基础上，本项目提出在光催化剂一维有序阵中构造以纳米尺度均匀分散的新型结构－量子点异质结，组装新颖的量子点异质结/一维有序阵列复合光催化体系。首先开展复合体系的组装实验，获得微观结构和量子点分布的调控机制；其次，研究体系的光激发过程和光电流的变化规律，明确量子点的激发特征和光量子效率；进一步，利用M-S曲线、SPM等微观分析手段，揭示量子点异质结/一维有序阵列的界面特性和载流子迁移分离规律；最后，研究体系在可见光照射下的分解水制氢性能，深入认识量子点异质结/一维有序阵列的特性对光活性的影响机理，为高效光解水反应体系的建立奠定理论及实验基础，并可望获得高质量原创性研究成果。

利用太阳能光催化分解水制氢和降解有机污染物成为新能源及环境领域的研究前沿之一，而设计高活性的光催化剂成为其中的核心科学问题。本项目在高效光催化剂的设计及性能研究方面进行了以下创新性研究：首先采用软化学法制备了规则的TiO2纳米线阵列，对甲基橙的脱色率比TiO2颗粒显著提高；成功合成了粒径为3-5nm均匀分散的CdS和CdSe量子点，以其作为光敏化剂对催化剂进行改性。利用半导体量子点的光激发特征，首次设计合成了单分散CdS量子点敏化的TiO2纳米线阵列、g-C3N4、Bi2WO6光催化剂体系。量子点敏化光催化体系抑制了光生载流子的复合，使g-C3N4的甲基橙降解速率提高了5倍，光解水活性提高了9倍，其科学意义在于，基于量子点光激发的可调变性，实现了光催化剂量子效率和催化活性的调控，进一步丰富了光催化的理论体系。.本项目进一步构筑了有机/无机杂化g-C3N4/Bi2WO6异质结光催化剂，载流子在异质结界面产生了有效分离和迁移，使得降解甲基橙的一级动力学常数提高了47倍；引入多壁纳米碳管（MWNTs），在g-C3N4表面构造了异质结界面，光催化过程中电子传递到MWNTs表面，使得光解水产氢速率分别提高了3.7倍；采用原位技术构造了聚苯胺（PANI）和g-C3N4的异质结界面，结果表明，亚甲基蓝的光降解速率提高了5倍以上，其科学意义在于，通过设计紧密接触的异质结结构，实现了光生载流子的高效迁移与分离，进而调控催化活性。该研究为高性能光催化材料的设计提供了新思路。利用Ag的等离子体共振效应，开发了Ag/g-C3N4复合光催化剂，Ag纳米粒子促进了载流子的迁移和分离效率，使得光降解甲基橙和分解水制氢的活性分别提高了23倍和11.7倍，通过调控贵金属/光催化剂微界面，实现了载流子的高效激发与迁移，更有效的指导高性能催化体系的设计。