新型红磷基光催化剂的氢能转化效率与机理研究

Hydrogen from photocatalytic water splitting is a renewable and sustainable source of clean energy, which is of great significance for low carbon emission reduction and environmental protection. As a newly developed elemental photocatalyst, red phosphorus (red P) holds a moderate and tunable optical bandgap of 1.6~2.4 eV, which is suitable for hydrogen evolution from water. This project aim to further improve the photocatalytic activity of red P photocatalyst and its composite materials. A series of red P photocatalysts with new crystal structure, composite crystal structure are prepared. By optimizing experimental conditions and developing new preparation methods, the yield and purity of red P photocatalysts are improved. The effects of crystal form/structure on its photocatalytic activity are studied. The photocatalytic reaction kinesetics of red phosphorus is investigated by using the advanced ultrafast spectroscopy technology. The particularity and difference of the photocatalytic dynamics between the elemental photocatalyst and traditional compound photocatalyst are proposed, which provides crucial theoretical and experimental basis for the mechanism study of red phosphorus.

以太阳能为能量来源，利用光催化水分解技术制备氢气作为清洁能源，对于低碳减排和环境保护有着重要意义。红磷作为新型的单质光催化剂具备合适且可调节的禁带宽度（1.6-2.4eV），在可见光水分解制氢领域具备很好的应用前景。本项目围绕以不断提升红磷单质光催化剂及其复合材料的光催化水分解制氢性能为目标，通过实验条件优化和方法创新，制备具有新型晶型、结构、以及复合晶型结构的红磷单质光催化剂及其复合材料，提高产率和纯度，并深入研究晶型/结构对其光催化活性的影响，提高红磷单质光催化剂的实用性和经济价值。利用先进的超快光谱技术，对红磷的光催化反应动力学过程进行深入研究，提出单质光催化剂与传统化合物光催化剂在光催化反应机理上的特殊性和差异性，为红磷的机理研究提供重要理论和实验依据。

红磷(RP)作为一种新型元素单质半导体光催化剂，具有带隙窄且可调、可见光吸收能力强等优点，在光解水制氢领域具有良好的发展前景。本项目采用结构工程、晶面工程和界面工程等策略对红磷进行了一系列物化性质的改性研究，有效提升了其光解水制氢性能，并结合超快光谱技术和理论计算阐述了相关作用机理，累计产出高水平学术论文8篇。成果如下：1.采用改进的化学气相沉积(CVD）法，实现了RP/TiO2复合材料的可控制备，RP与TiO2之间界面处形成的紧密化学键，促进了光生电荷的有效分离和转移，可见光水分解制氢速率达到681μmolh-1g-1。2.开发了红磷蒸气辅助CVD法，制备了具有超薄壳层结构的P掺杂空心g-C3N4光催化剂，有效调节了催化剂的能带结构和化学缺陷，提高了可见光吸收能力，抑制了电荷的复合和自陷过程，从而赋予其优异的光催化分解水制氢活性（9653μmolh−1g−1）。3.以金属铋为助催化剂，采用CVD法制备了复合晶型（Hittorf-纤维）三维枝状红磷单质光催化剂，实现了红磷光生电荷的高效分离和转移，显著延长了活性电荷的寿命，可见光析氢活性（1280μmolh-1g-1）是目前单质光催化剂的最高记录。4.以金属镍为助催化剂，采用CVD法实现了高产率棒状红磷的可控制备，微量镍物种的负载促进了红磷光生电荷的分离，有效提高了其光解水制氢活性。5.研究了磷空位缺陷在红磷能级结构的捕获能级属性及其与光催化活性、动力学作用机制之间的构效关系，并采用氧掺杂策略实现对磷缺陷的有效调控，显著抑制了缺陷能级的深度捕获效应。6.受邀撰写了3篇“红磷光催化”的综述论文，为红磷物化属性、光催化应用和机理的理解和认知提供了理论指导。综上，本项目的研究成果有助于推进红磷单质半导体在光催化领域的发展潜能和应用价值，并为未来高效单质光催化剂的设计和开发提供重要的参考和指导。