BiOCl层状结构相关的晶面依赖特性及其可见光催化性能增强

Solar energy utilization is a significant way to solve the environmental and energy problems accompanying with the fossil fuel economy development, while artificial photosynthesis imitated semiconductor photocatalysis is one of important solar energy utilization strategies. Bismuth oxyhalide BiOX (X = Cl, Br and I), the layered V-VI-VII ternary compound semiconductors, have attracted worldwide attention because of their unique layered-structure mediated fascinating physicochemical properties. The unique layered structure and extremely high symmetry of BiOCl might endow it some facet dependent properties different from those of traditional photocatalysts like TiO2. This prject takes layered BiOCl semiconductor as the reaserch object to investigate the photocatalytic O2 activation over BiOCl in the real aqueous circumstance and the effects of layered structure and different facet exposure on the non-metal doping and noble metal deposition, thus clarify the facet dependent properties related to BiOCl layered structure, then realize the simultaneous enhancement of internal electric field and visible light adsorption for the devolepment of high efficient visible light photocatalysts based on BiOCl. The fact dependent properties related to BiOCl layered structure will be used for the design and synthesis of bismuth oxyhalide photocatalysts to solve the environmental and energy problems and promote the development of photocatalysis technology.

太阳能有效利用是解决化石能源经济发展伴随的环境和能源问题的重要途径。模仿自然界光合作用的半导体光催化技术则是一种重要太阳能利用手段。BiOX（X = Cl，Br，I）是一类层状半导体材料，已成为光催化领域的研究热点。BiOCl独特的层状结构和高度的空间对称性使其晶面依赖特性区别于TiO2等传统光催化材料。本项目以层状BiOCl半导体为对象，通过系统研究处于实际水溶液环境中BiOCl光催化活化O2过程，以及BiOCl层状结构和不同晶面暴露对非金属掺杂和贵金属沉积的内在影响规律，深入揭示BiOCl层状结构相关的晶面依赖特性，实现BiOCl内电场强度和可见光吸收的同时增强，发展BiOCl基高效可见光催化材料。BiOCl层状结构相关的晶面依赖特性揭示将有利于设计和制备其它卤化氧铋高性能可见光催化材料，为光催化技术解决人类面临的环境污染和能源短缺问题奠定坚实的基础，推动光催化技术的发展。

太阳能的高效利用有望从根本上解决环境和能源问题。模仿自然界光合作用的半导体光催化技术则是一种重要太阳能利用手段。层状半导体BiOX（X = Cl，Br，I）备受关注，成为光催化领域的研究热点。BiOX独特的层状结构和高度空间对称性使其晶面依赖特性区别于TiO2 等传统光催化材料。阐明BiOX层状结构与其光催化活性之间的构效关系，不仅能加深光催化基本过程的理解，推动光催化技术的发展，而且有助于筛选和设计高效光催化剂。本项目中，我们系统研究{001}晶面暴露含氧空位的BiOX参与的光催化反应，发现氧空位不仅促进可见光吸收，提升载流子分离效率，还可作为N2/O2/NO/H2O/H2O2等小分子的吸附活化位点而加速表面反应；通过研究不同晶面暴露BiOX的原子结构和光生载流子分离传输行为，发现BiOX具有沿着c轴方向的内建电场，因而促进[001]方向的光生载流子传输；基于BiOX载流子沿[001]方向分离且分离效率受内建电场强度影响的特性，我们发展了均相C掺杂、晶面调控、原子层异质结等策略来增强内建电场强度，提高BiOX载流子分离效率，并利用氧空位的富电子特性和氧空位能级对费米能级的调控作用，利用贵金属沉积和耦合等离子基元光催化等途径实现催化活性位点电子结构的定向调控，显著提升BiOX光催化固氮、产氢、有机物选择性氧化和污染物降解的效率。