基于动力学调控的g-C3N4/量子点Z型光催化水分解研究

Z-scheme photocatalytic systems can effectively increase visible-light absorption, promote the separation and transportation of photoinduced charge carriers, and thus attracted considerable attention in water splitting. The artifiial Z-scheme system that mimics natural photosynthesis of green plant consists of two connected semiconductor photocatalysts, which has the merit of keeping electrons/holes with stronger reduction/oxidation abilities on different active sites. In the early time, “screening trial and error” is adopted in most of Z-scheme photocatalyst design, lacking of kinetic control to ensure Z-scheme is the only way in photocatalytic systems. This project intends to design and prepare a series of g-C3N4/quantum dots hybrid systems. Taking advantage of the wide light-absorption range of quantum dots and g-C3N4 full water splitting, by adjusting the size of quantum dots and the length of surface ligands, combined with transient absorption spectra and photocatalytic performance, building high efficient Z-scheme photocatalytic systems. This project open new opportunities for Z-scheme photocatalytic systems design and synthesis.

基于Z型的光催化反应不仅可以扩大光催化材料对太阳光的吸光范围，还可以在实现电子空穴对空间完全分离的情况下保持光催化剂本身的氧化还原能力不变，因此被越来越多的应用到光催化全分解水的研究当中。早期的Z型光催化剂设计主要采用的是所谓的“试错筛选”模式，具有一定的盲目性，缺乏动力学的调控来保证Z型是唯一的工作方式。本项目拟通过设计和制备一系列g-C3N4/量子点杂化体系，充分利用量子点的宽光谱响应和g-C3N4的全分解水反应，通过调节量子点的尺寸和表面配体长度，结合瞬态吸收光谱测试和光催化性能测试，尽量抑制光催化副反应的发生，从而构建高效的Z型光催化水全分解体系，为后续基于Z型原理的无机纳米材料的设计和合成带来理论上的启迪。

胶体量子点作为典型的半导体，由于其具有宽光谱响应和巨大的光吸收截面等优点，在太阳能高效转换方面引起了极大地关注。目前胶体量子点已经广泛应用到包括光催化、量子点敏化太阳能电池和太阳能聚光板等多种新型太阳能转换研究当中。然而，目前量子点研究的重心大多集中在量子点材料的合成和体系效率的优化，而从超快光谱动力学的角度去揭示内在的物理机理目前还比较缺乏。本项目运用超快瞬态吸收光谱技术，针对Cu掺杂CdSe量子点的热电子弛豫动力学和CsPbBr3钙钛矿量子点的三线态能量转移动力学进行了系统研究，取得了如下成果：1）在结构简单的铜掺杂量子点中观察到了热电子驰豫的“声子瓶颈”效应，这个发现对我们提高太阳能电池效率，提高光催化效率和敏化光化学反应具有重要的指导意义 2）利用CsPbBr3钙钛矿量子点材料成功实现了对有机发光分子PtOEP和PTM-TPA的敏化，从而利用三线态能量转移的方式实现了CsPbBr3钙钛矿量子点的下转换发光，这项研究为我们后续设计基于量子点材料的高效率太阳能聚光板提供了坚实基础。