Ag/AgX(X=Cl,Br,I)基光催化材料SPR效应与其光电和光催化性能关系的理论研究

This project aims to study the general theoretical issues and main controversies involved in Ag/AgX-based (X=Cl,Br,I) plasmonic photocatalysts. Firstly, we plan to analyze a series of Ag/AgX-based electrode devices with a comprehensive method established on modern electrochemical analysis, single molecule microscopy, C60 electron probe, and microwave photoconductivity techniques. On the basis of these studies, we should point out the transmission mode of plasmonic energy in Ag/AgX-based photocatalystic materials, and further ascertain the influence of semiconductor energy structure on the transmission of charge carriers and photoelectric efficiency as well as its mechanism and rules. Moreover, we should establish a new analytic method based on cyclic voltammetry, ESR spin trapping technique, and photodegradation, by which we should explore the surface charges, free radicals, and reactive species formed in photocatalytic reaction and further ascertain the degradation reaction mechanism of organic contaminants over this type of photocatalysts. We believe that these studies .not only can deepen the understanding of plasmon photocataltic theory but also benefit the structure design and application research of Ag/AgX-based photocatalytic materials.

本项目拟针对目前Ag/AgX (X=Cl,Br,I)基等离子共振光催化材料在理论研究上存在的主要分歧和普遍性问题展开研究。建立一套基于现代光电化学测试、单分子荧光显微、C60电子探针和微波光导技术的综合性分析方法，对构建的一系列Ag/AgX基光催化材料电极器件进行表征，明确Ag/AgX基等离子共振光催化材料的能量传输方式，阐明半导体能级结构影响载流子传输及光电转换效率的机制和规律。同时，建立一套基于电化学循环伏安测试、ESR自旋捕获技术和光催化降解的分析测试方法，分析并探明Ag/AgX基光催化材料在光催化反应中形成的表面电荷、自由基和活性物种，阐明半导体能级结构影响活性物种种类和产率的机理，明确污染物的降解反应历程。本项目的研究成果不仅可以加深对等离子共振光催化理论的认识，而且对Ag/AgX基光催化材料的结构设计和应用研究具有指导意义。

在国基金的支持下，本项目主要进行了以下研究工作：构建了一系列基于卤化银、BiOBr和TiO2的等离子共振光催化材料，有效地拓展了催化剂的可见光相应，实现了可见光下对环境污染物的高效降解以及选择性氧化有机物活性；（2）通过光还原和化学沉积法，构建了一系列基于贵金属Ag和Au纳米粒子的Z型复合光催化材料，实现了具有强氧化还原能力电子和空穴在空间的分离，有效地提高了Z型复合光催化材料在降解环境污染物以及杀菌等应用中的光催化活性；（3）制备了一系列基于核壳结构Ag@SiO2和Au@SiO2的等离子共振材料Ag@SiO2@TiO2、Ag@SiO2@AgCl、Au@SiO2@AgCl等离子共振器件，通过光电测试研究了其等离子共振的能量传出方式，进一步运用时域有限差分(FDTD)模拟方法对等离子共振的能量传输方式进行了验证。研究结果表明，对于贵金属/半导体的等离子共振体系，贵金属主要通过能量传输的方式将吸收的光能传输给半导体。以上研究结果对等离子共振光催化材料和Z型复合光催化材料的构建、理论研究和应用研究均具有一定的参考和借鉴意义。. 通过以上研究工作，在J. Mater. Chem. A、ACS Sustainable Chem. Eng. Chem. Eng. J.等期刊发表研究论文18篇，申请中国专利8项（授权5项）；参加国内外学术会议15人次，发表会议论文17篇；培养研究生已毕业10人，其中博士1人，硕士9人。获得自然科学基金联合基金项目一项，企业应用研究课题两项。.