光转化CO2用可控表面/界面原子组态的半导体光催化材料的制备与性能

光催化转化CO2不仅可直接减少CO2的排放量，而且能获得具有高附加值的化合物如甲醇、甲烷等，意义重大。然而太阳驱动半导体光催化材料转化CO2一直面临着转化效率低和产物选择性低这两大瓶颈问题。本项目在分析控制瓶颈问题的主要因素（激发电子还原电势和表面活性位）的基础上，提出以表面/界面原子组态调制为可能的突破口，采用独特水热合成和CVD气氛处理相结合的方法可控制备含不同表面/界面原子组态的二氧化钛基单体及复合光催化材料。旨在研究"协同形貌控制剂调节晶体表面能"、"异质原子和氧化钛前驱体合而为一"及"异质原子对中的强相互作用诱导"等独特制备方法对晶面和异质原子结构的影响，探索控制具有不同原子组态的二氧化钛基光催化材料的生长规律；深入研究其光转化CO2的性能，揭示原子组态对转化效率和选择性的控制规律，为发展基于原子组态调制的高性能光催化转化CO2材料提供科学依据。

光催化材料的表/界面原子结构是影响光催化效率的重要因素，因此发展能有效控制光催化材料表/界面结构的制备方法，对于揭示表/界面原子结构对光催化特性的作用规律和提高光催化转化性能具有重要意义。.本项目以HF为形貌控制剂制备了分别富含{001}、{010}、{101}锐钛矿TiO2单晶，并提出了决定晶面活性的新依据；发展了一种无氟制备富含{010}晶面的锐钛矿TiO2微/纳米棒，研究了其光还原CO2特性；制备出硼掺杂富含{001}晶面的锐钛矿TiO2微米球，揭示了表面原子/电子结构对光催化反应择优性的作用规律；基于B/N梯度掺杂获得了富含{001}晶面的红色锐钛矿TiO2微米球，并阐明了宽光谱吸收的根源；以氟离子和磷酸根为协同形貌控制剂，制备出空心结构的富含{101}晶面的锐钛矿TiO2，具有高光催化还原CO2产甲烷性能；基于Ti基体与金红石TiO2的晶格匹配关系，制备出高活性面暴露的纳米柱薄膜，大幅提高了光电化学分解水活性；基于种子模板法制备出中孔金红石二氧化钛单晶，且单晶表面由特定的晶面构成，相比于实心单晶，光催化、光电催化分解水活性得到了显著提高。利用惰性气氛下Ti基体对支撑的TiO2薄膜的还原作用，获得了非化学计量比金红石二氧化钛光电极，相比于化学计量比的TiO2参比光电极，光电化学分解水特性大幅提高。.上述研究结果为控制制备具有特定晶面暴露的光催化材料提供了新的信息，也为基于表/界面设计发展高性能光催化材料提供了有益的借鉴。