氯氧化铋量子点薄膜的制备及其光催化机理研究

Since the bismuth oxychloride (BiOCl) semiconductor can convert the solar energy to chemical energy directly and achieve the degradation of the environmental pollutant effectively, it becomes one of the hot topics in the field of semiconductor photocatalysts. However, the structural stability and photocatalytic mechanism of BiOCl are still open questions and need further investigation. In particular, the photo-induced crystal structural stability, nonstoichiometric composition, and the corresponding photocatalytic process are not fully understood. The aim of the project is to prepare the BiOCl quantum dots film using an aqueous chemical solution route, and mainly focus on the control growth of the {001} facets preferred-orientation and the size of the quantum particle. The crystal structure and the stoichiometric composition will be characterized by the High Resolution Transmission Electron Microscope and Electron Energy Loss Spectroscopy, and try to find the correlations among the micro-structure, the nonstoichiometric composition and the photocatalytic activity. We further study the photocatalytic mechanism by analysing the charge transport and the surface reaction through the photoelectrochemical reaction, and characterizing the surface state and kinetic process using low-energy electron microscopy - photoelectron microscope.It is expected the law of the photocatalysis dynamics could be explored. The success of this project will provide foundation on the development and application of bismuth oxychloride semiconductor photocatalyst based on noval quantum structures.

氯氧化铋（BiOCl）可直接利用太阳能对环境污染物进行有效降解，成为半导体光催化材料领域的研究热点。其结构稳定性及光催化反应机理等关键问题还未有深入研究，特别是光辐照对BiOCl原子尺度上的微观结构、元素化学计量比、表面性质的影响及相应的光催化反应动力学机理还不明确。本项目将通过水化学反应法合成BiOCl量子点薄膜，控制{001}晶面择优生长和量子点颗粒尺寸。采用高分辨透射电子显微镜、电子能量损失谱对光辐照的BiOCl量子点微观结构、氯氧元素的化学计量比进行分析，研究微观结构、非化学计量比与光催化活性的内在关联。拟通过光电化学法研究光催化反应过程中电荷输运和表面反应，结合低能电子、光电子显微镜系统观测表面结构和表面态的变化，揭示光催化反应机理，探索反应动力学规律。项目将为氯氧化铋半导体光催化材料的进一步发展和应用提供科学依据。

半导体光催化材料可以直接利用太阳光的能量降解环境中的有机污染物，具有高效、节能、无二次污染等优点，已广泛应用于环境净化、消毒杀菌、医疗卫生等诸多方面，显示出巨大的潜力和长久的生命力。氯氧化铋（BiOCl）作为一种新型光催化材料，因其独特的层状结构以及内建电场，可直接利用太阳能对环境污染物进行有效降解，成为半导体光催化材料领域的研究热点。然而，其结构稳定性，特别是光辐照条件下BiOCl原子尺度上的微观结构、元素化学计量比、表面性质的影响及相应的光催化反应动力学机理还不明确，而该问题的解决对深入理解光催化反应机理和改善半导体材料光催化性能至关重要。针对此，我们合成了择优取向可控的BiOCl纳米片和薄膜，理解了光照条件下其微观结构的演变和BiOCl可见光光催化反应动力学机制，取得的研究成果主要包括：（1）通过对反应温度，PH值以及浓度调控实现了{001}晶面的择优取向调控；（2）首次明确了BiOCl光辐照条件下羟基依赖的氧缺陷的形成机制，并通过羟基诱导形成缺陷来提高BiOCl的光电转换效率和光催化活性；（3）指出氯元素由于强的电负性进一步促进了羟基诱导缺陷的形成；（4）原位透射电子显微镜研究发现金属铋易于析出，同时伴随着氯原子和氧原子的丢失，表明由于铋析出引入氧缺陷的形成；（5）由于部分原子丢失形成的非化学计量比的BixOyClz，具有超晶格结构拓展了可见光的吸收，并表现出n型半导体的特性，与p型半导体BiOCl基底结合形成了p-n结，提高了可见光光催化活性，揭示了BiOCl光催化反应的机理。