低密度能量驱动压电效应增强的光催化材料构筑与性能研究

Semiconductor photocatalysis can utilize inexhaustible solar energy to catalyze the splitting of water and carry out environmental purification, which is of great significance to solve the increasingly severe problems of energy and environment. How to effectively improve the separation and transmission efficiency of carriers is the core issue in the field of photocatalytic research. The construction of a built-in electric field is an effective means to promote the separation of carriers, but it is saturatable and therefore the effect of accelerating the carrier separation is limited. How to renew the built-in electric field during the photocatalytic process is the key to continuously improve the photocatalytic performance. This project proposes to use natural energy to drive the persistent renewing of the built-in electric field generated by piezoelectricity, and therefore achieve continuous improvement of photocatalytic performance. Pointing at the shortcoming of low natural energy density, as well as the analysis of mechanism on the built-in electric field improved photocatalytic performance, this project intends to construct a piezoelectric composite photocatalytic material with soft and elastic helical structure, towards enhancing the photocatalytic activity by utilizing the low density of the natural energy. By exploring the relationship between the design parameters and piezoelectric field and photocatalytic performance, the mechanism of low density energy driving piezoelectric field and further affect the photocatalytic process will be revealed. The implementation of the project is expected to provide guidance for the design and development of high photocatalytic materials.

半导体光催化可以利用取之不尽的太阳能来催化分解水制氢和进行环境净化，对解决日趋严峻的能源和环境问题具有重要意义。如何高效提升载流子的分离与传输效率是光催化研究领域的核心问题。构建内建电场是促进载流子分离的有效手段，但是其是易饱和的，因此促进载流子分离的作用时效有限。在光催化过程中使内建电场得到重生是解决其长效提高光催化性能的关键。项目提出利用自然能量来驱动压电产生的内建电场不断重生，旨在达到持续提升光催化性能的目的。针对自然能量密度低的缺点，在剖析内建电场对光催化材料作用机制的基础上，项目拟构建具有柔弹性螺旋结构的压电光催化复合材料，使其在低密度能量压力下产生较大变形，产生更强的压电电场，以期大幅提高光催化效率。通过探讨各设计参数与压电电场以及光催化性能的关联，揭示低密度能量驱动压电电场进而影响光催化过程的作用机制。项目的实施预期为高效光催化材料的设计与开发提供可靠的指导。

基于长效提升光催化性能的研究目标，本项目提出利用自然能量来驱动压电产生的内建电场不断重生，进而达到长时提高光催化性能的目的。开展了对光催化材料组成体系的选择、结构设计、材料制备以及系统的结构与性能分析，阐明了新型压电功能复合光催化材料的构效关系，揭示了内建电场重构对光生载流子分离、传输和光催化反应的调控机制。项目共以通讯作者发表SCI论文20篇，其中影响因子10以上的SCI论文8篇。申报国家发明专利4件，已授权1件。主要研究内容概括如下：.（1）利用微流控技术成功制备了仿生柔性螺旋状压电-光催化复合微米纤维PVDF/g-C3N4。该柔性螺旋状压电-光催化微米纤维在流动水体作用下进行往复伸缩运动，发生往复性形变，由此激发形成循环重构的内建电场。相比于静态催化过程，循环重构内建电场的作用使得RhB的降解效率提高了20%以上。.（2）提出双压电柔性光催化薄膜的概念。通过将不同比例极性面暴露的ZnO纳米棒与有机压电薄膜PVDF进行复合得到ZnO@PVDF薄膜。结果表明，在流水条件下，（100）极性晶面暴露最多的ZnO-3@PVDF膜的光催化活性的提升是没有压电性的ZnO-3@PDMS膜的10倍。.（3）通过将有机柔性薄膜PVDF-HFP与光催化材料TiO2复合，利用相转化法得到分级多孔的结构。以丙酮作为溶剂，以水作为非溶剂，且PVDF-HFP:丙酮:水的质量比为1:9:1时，薄膜(1:9)TiO2@PVDF-HFP (A-W)的压电光催化活性最优，在水流作用下光催化降解效果可以提升67%。.（4）基于固溶度极限原理，首次合成了源于MnxCd1-xS固溶体的新型“孪生结”光催化剂。结果表明，该p-n结固溶体界面消除了电势跃变并引入了梯度场，促进了光生载流子的界面转移、空间分离和寿命延长。该“孪生结”光催化剂无需担载助催化剂就可以实现高效光催化制氢。.（5）通过进一步引入光热转换功能材料和热释电材料基体，探索了全光谱太阳能作用下光热-热释电多效应协同驱动内建电场构筑及其增强光催化的可行性及规律。研究结果表明，在红外光激励内建电场作用下，PVDF-HFP/CNT/CdS-Pt复合纤维的光催化分解水制氢效率提高到5倍以上，对应的最大平均表观量子效率达16.9%。