晶种诱导法在金属/半导体异质纳米光催化材料晶面调控中的应用与研究

Noble metal/semiconductor hetero-photocatalysts have attracted considerable attention in present photocatalytic research field. However, the reported hetero-photocatalysts available to date are generally enclosed by low-index and stable facets due to the lowest surface energy principle. Thereby, the design, fabrication and facets modulation of hetero-photocatalysts, especially the synthesis of photocatalysts with high-index facets, have become the urgent puzzle to be resolved. This project focus on the exploration and fabrication of novel hetero-photocatalysts consisted of metal nanoparticles and semiconductor crystals with controllable surface facets. It is believed that the morphology and crystal facets of hetero-semiconductors could be conveniently influenced and regulated through varying the correlative factors, such as the size and shape of seeds, the concentration of precursor, and so on. As a result, the photocatalytic performance of hetero-semiconductors will be optimized owing to the fabrication and exposure of certain facets with high surface energy. More specifically, the metal nanoparticles possess a favorable Fermi level, which can serve as a good electron acceptor for facilitating quick electron transfer from semiconductor under visible-light irradiation. Thereby, the photoexcited electrons can be rapidly transferred to metal nanocrystals, and the photoinduced holes can still locate on the surfaces of semiconductor, which promote the effective separation of photoexcited electron-hole pairs and decrease the probability of electron-hole recombination. To the best of our knownledge, the relative research work has not been widely explored up to now.

金属/半导体异质纳米光催化材料的制备、调控与性能研究已经成为光催化领域的研究热点，然而目前已经报道的半导体材料，由于受到表面能量趋于稳定等因素的影响，多被表面能较低、反应活性较差的晶面所主导，因此如何设计、合成光催化性能较高的异质纳米结构并实现其晶面尤其是高指数晶面的调控，成为目前光催化领域噬待解决的难题。本项目采用晶种诱导的方法，构建一种尺寸、形貌及晶面可以调控的金属/半导体异质光催化体系，即以不同尺寸和形貌的贵金属纳米粒子作为种子，通过表面活化等方法实现半导体纳米材料在金属纳米粒子表面的选择性外延生长，进而实现金属/半导体异质结构的晶面调控，以达到此类异质结构的性能最优化。此外，由于贵金属纳米粒子具有表面等离子共振效应及费米能级较低等优点，可以有效的改善光生电子-空穴快速复合等缺点，从而进一步提高半导体材料的光催化性能。本项目的研究尚未在国际上广泛展开，具有较高的创新性和科学意义。

传统半导体材料如TiO2、ZnO等由于具有较宽的带隙，无法利用太阳光中的可见光，因而极大地限制了它们的应用范围。近期，一些窄带隙半导体材料如银系半导体材料和铋系半导体材料，由于具有合适的导带、价带位置，可以吸收利用可见光，因而引起人们的广泛研究，但同时他们的电子空穴复合速率较高，不利于其光催化性能的展现。因而本项目一方面通过贵金属诱导的方法，制备了一系列贵金属/银系半导体复合纳米材料，贵金属/铋系复合纳米材料，利用金属较低的费米能级，及时导走半导体材料在光催化过程中的光生电子，从而促进电子空穴对的分离效率，提高他们的光催化性能。另一方面，本项目也将贵金属诱导或沉积于传统半导体材料，制备了贵金属/半导体复合材料体系，利用贵金属的表面等离子共振特性，提高传统半导体纳米材料的可见光吸收范围，并增强他们的光催化及光电转换性能。此外，本项目还制备了不同的半导体复合材料体系，通过合理设计不同半导体材料的结合方式，实现电子空穴的高效分离，并且通过离子掺杂的方式，减小宽带隙半导体材料的带宽，实现可见光的吸收利用。在本项目的支持下，为了对我们制备的金属/半导体复合材料的光催化机理进行深入研究，我们还提出了一种新型的原位XPS技术，通过XPS峰位的变化，直观判断光生电荷的转移方向及路径，从而为深入探讨半导体复合材料的光催化机制提供了有效的保障手段。