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【阶段进展】异自结半导体材料用于太阳能光催化的研究进展
编辑:田甜     作者:资源化工与材料教育部重点实验室、辽宁省无机分子基重点实验室   发布时间:2020-11-30  点击数:

能源活动对环境与健康的影响将是未来中国社会和经济发展的突出问题之一。光催化技术可以利用绿色、天然、可再生太阳光驱动一系列的化学反应,为促进能源结构绿色化,实现能源与环境协调发展开辟了一条切实可行的道路。

近年,ylzzcom永利资源化工与材料教育部重点实验室、辽宁省无机分子基重点实验室的徐振和副教授及团队设计和构建多种复合功能纳米材料,结合学科交差研究的优势,在光催化领域发展了稀土材料、半导体材料、贵金属材料等几类功能材料的应用,利用它们独特的物理、化学性质,着重研究和探索了光的吸收、载流子运输和表面催化这三个关键核心问题对于光催化分解有机污染物和光催化分解水制氢气的调控作用,并证明了基于能带调控、微结构调控和性能拓展等新型方法在实现宽光谱吸收、提升光生电荷的分离转移效率及扩大比表面积等方面具有独特的优势,为实现分子水平上纳米功能材料的合成化学以及催化机理提供了新的思路和方法。面向实现能源绿色化、污染可控化、材料稳定化和可回收化、产氢高效化的总体目标,为从基础研究到应用研究奠定基础。

研究团队采用简单的方法将传统的半导体与等离子激元半导体和镧系元素掺杂的上转换材料复合在一起,设计高效和多光区响应的光催化剂。从合成方法,发光增强策略及其在光催化中的应用的角度总结了该系列光催化剂的最新进展,相关研究成果发表在《Nanoscale Horizons》上(论文链接:https://doi.org/10.1039/c8nh00373d)。

 

为了进一步拓宽光谱响应的范围,团队设计出了一种紫外-可见-近红外响应的PbS@CdS@ZnS量子点和氮化碳纳米片制成的异质结。研究发现这种合理的设计不仅可以将石墨氮化碳纳米片的光谱响应范围拓宽至近红外区域,而且可以通过量子点与石墨氮化碳纳米片之间的强相互作用产生高效的电荷转移,缩短电荷扩散距离。相关研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environmental》上(论文链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118879

同时,研究团队通过冰辅助剥离的方法设计出了一种黑磷/氮化碳2D/2D无金属异质结光催化剂,研究发现在可见光的照射下,黑磷/氮化碳复合物的H2生成速率达到了384.17 µmol g-1 h-1,其H2生成速率甚至超过先前报道负载贵金属的光催化剂。相关研究成果在《Advanced Functional Materials》上发表(论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201902486)。

    此外,针对元素掺杂调节半导体电子结构时掺杂状态和确切作用的争论,研究团队设计了一种在RGO纳米片上原位合成Ag掺杂的ZnIn2S4纳米片光催化剂,发现在低掺杂水平下,Ag+掺杂对ZnIn2S4的能带结构有影响,即通过取代掺杂和间隙掺杂Ag+,可以形成受体和施主态,分别使费米能级在ZnIn2S4的带隙内移动。由于这两种类型都是浅状态,因此它们不充当电荷复合中心。相反,与原始的ZnIn2S4相比,有助于增强光吸收和增加载流子的寿命,从而使掺杂AgZnIn2S4具有更好的性能。相关研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environmental》上(论文链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119403)。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划、辽宁省高等学校创新人才支持计划等项目的资助。

 

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