中空核壳结构-肖特基结协同调控光生载流子空间分离机制研究

Photocatalysis is a better choice to settle the energy and environmental issues, therefore, it is significant to improving the migration and separation efficiency of photogenerated charge carriers. The hollow core/shell structure-Schottky junction are combined to regulate the spatial separation of photogenerated charge carriers. The priority lies in: magnetic semiconductor is chosen as the core, and two-dimensional materials as the shell, non-plasmonic metal attaches on the core and shell, respectively. By the synergistic effect of hollow core/shell structure-Schottky junction, the photogenerated electrons and holes outputs to the outer of the shell and inner of the core directionally and orderly, achieving the spatial separation. On the one hand, the interface area can be enlarged by core/shell structure, so as to the migration efficiency of the photogenerated charge carriers. On the other hand, the light resource could be made full use of by multiple reflections in the hollow inner structure. From the macroscopic to microcosmic mechanism, this study establishes the inevitable relationship between microscopic structure and photocatalytic activity, clarify the mechanism of synergistic effect of hollow core/shell structure-Schottky junction on the photogenerated charge carriers spatial separation, promote the development of high-performance photocatalysts.

光催化技术是解决环境与能源危机的理想途径之一，提高光生载流子的迁移与分离效率是光催化技术领域工作的关键所在。申请者拟构筑中空核壳结构-肖特基结协同调控光生载流子空间分离的光催化剂模型。其优势在于：以磁性半导体材料为核、二维半导体材料作为壳，非等离激元分别锚定于核壳表面，通过中空核壳结构-肖特基结协同作用，光生电子和空穴分别定向、有序输出到核的内部与壳的外部，实现空间分离的目的。一方面，核壳结构能够增大界面面积，提高光生载流子传输效率；另一方面，光线在中空结构的内部反复折射提高了对光源的利用率。本项目从宏观现象到微观机理，确立微观结构与光催化活性的必然关系，阐明中空核壳结构-肖特基结协同调控光生载流子空间分离的机理，为进一步开发高性能的光催化剂起到积极的推动作用。

光催化技术是解决环境与能源危机的理想途径之一，本项目从实际角度出发，立足于环境修复纳米材料的技术前沿与实际应用（1）充分利用二维半导体材料的优势，通过中空核壳结构-肖特基结协同调控光生载流子空间分离。该光催化剂以磁性半导体材料为核、二维半导体材料作为壳，非等离激元分别锚定于核壳表面，通过中空核壳结构-肖特基结协同作用，光生电子和空穴分别定向、有序输出到核的内部与壳的外部，实现空间分离的目的。首先采用浸渍煅烧法成功制备Pt-ZnFe2O4@g-C3N4-Pt光催化剂，XRD、TEM、BET、XPS等表征手段证明了该光催化剂的成功制备。光催化实验结果证明在模拟太阳光照条件下，Pt-ZnFe2O4@g-C3N4-Pt光催化剂能够有效地降解水体中的环丙沙星和氯氰菊酯两种有机污染物，其光催化性能明显优于对照实验组中任意光催化剂。光电化学表征技术深入细致地研究了“中空核壳结构-肖特基结协同作用”对光催化活的影响，荧光光谱、光电流测试结果表明Pt-ZnFe2O4@g-C3N4-Pt光催化剂内部光生载流子的分离和迁移效率远大于对照实验组。且光催化循环实验结果证实了该光催化剂具有较强的循环再生能力。（2）采用溶胶凝胶法合成了中空核壳结构TiO2@CdS复合光催化剂，光催化实验结果进一步验证中空核壳结构对于提高光生载流子空间分离与迁移效率的必要性。