无贵金属C3N4基二维层状复合产氢光催化材料的构建

Design and fabrication of highly efficient visible-light active photocatalytic H2-production materials are one of photocatalytic research hotspots. In this project, to solve the high costs of noble metal co-catalysts used in the g-C3N4-based H2-production systems, the highly efficient, cheap, stable and non-toxic g-C3N4/MSx(M=Mo、W、Ni、Co) visible-light active photocatalytic photocatalytic H2-production materials will be designed and constructed through the 2D-2D layered hybridization of g-C3N4 nanosheets and 2D noble metal-free transitional metal co-catalysts. Furthermore, the composition-morphology-performance intrinsic relationship and synergistic effect between noble metal-free co-catalysts and g-C3N4 semiconductor will be carefully investigated. The transfer and separation of photo-generated electrons and holes within noble metal-free g-C3N4-based composite photocatalytic materials under visible light irradiation will be also investigated. The design principal of composition and structure of noble metal-free g-C3N4-based composite photocatalytic materials will be developed and proposed by this project. The relationship of composition-structure-H2-production performance and control methods of the composite photocatalytic materials will be revealed during investigating this project. The intrinsic mechanism of the photocatalytic enhancements in H2- production activity will be explained. This is of great significance in promoting the development of photocatalysis theory and increasing new knowledge of photocatalytic hydrogen production. This investigation will provide new insight into the fabrication of advanced visible-light photocatalytic materials and enhance the application of noble metal-free g-C3N4-based composite photocatalytic materials in hydrogen production.

高效可见光响应光催化产氢材料体系的设计制备是光催化领域的前沿和热点研究问题之一。本申请针对氮化碳产氢体系中常用贵金属助催化剂高成本的问题，拟通过廉价的二维(2D)过渡金属硫化物助催化剂MSx(M=Mo、W、Ni、Co等)与氮化碳纳米片进行2D-2D层状复合，从而构建具有完全暴露和界面充分耦合的2D层状异质结高效复合光催化产氢材料。研究复合光催化材料的组成及形貌与产氢活性之间的内在关系、协同效应和光生载流子转移分离机理，以发展氮化碳基2D层状复合光催化产氢材料的设计原理、揭示组成-结构-产氢性能的构效关系和调控方法、阐明其活性增强机制。本项目以提高光催化分解水产氢效率为研究目标，为新型高效光催化产氢材料体系的制备提供理论基础和科学依据。对制备高催化活性、高稳定性的环境友好型可见光光解水材料具有重要科学意义，可以为发展太阳能制氢技术提供重要的理论和实验依据。

高效可见光响应光催化产氢材料体系的设计制备是光催化领域的前沿和热点研究问题之一。本申请针对氮化碳产氢体系中常用贵金属助催化剂高成本的问题，拟通过廉价的二维(2D)过渡金属硫化物助催化剂MSx(M=Mo、W、Ni、Co等)与氮化碳纳米片进行2D-2D层状复合，从而构建具有完全暴露和界面充分耦合的2D层状异质结高效复合光催化产氢材料。研究复合光催化材料的组成及形貌与产氢活性之间的内在关系、协同效应和光生载流子转移分离机理，以发展氮化碳基2D层状复合光催化产氢材料的设计原理、揭示组成-结构-产氢性能的构效关系和调控方法、阐明其活性增强机制。课题组先后设计合成了g-C3N4/MPX/MoS2（M=Fe、 Co 或 Ni）、 g-C3N4/Ni/NiS、 g-C3N4/非晶态碳/NiS、高温原位增长g-C3N4/NiS、g-C3N4/乙炔黑/CuS和CdS/g-C3N4等六种2D-2D层状异质结。结果表明，所形成的紧密的2D-2D层状异质结可以显著改善载流子的分离能力和产氢活性。与此同时，首次证明具有较好导电性能的金属化材料（如MPX、金属Ni及非晶态碳等）可以很好地充当2D-2D层状异质结界面的载流子传输通道，强化光生电子从半导体表面到助催化剂表面的迁移及分离速率，从而使光催化产氢活性提高3-5倍。为进一步提升产氢活性，该项目将g-C3N4/MSx2 2D层状异质结扩充到CdS/MSx2体系。先后合成了CdS/α-Fe2O3/NiS、CdS/P掺杂的Ni2S、MoS2/CdS、Cu7S4/CdS 及CdS纳米片/碳黑/NiS2五种2D/2D 层状异质结，均展现较高的光催化产氢活性。特别是构建的NiS助催化剂改性的 CdS/α-Fe2O3 2D-2D 直接Z 型产氢光催化体系，在Z型结及欧姆结双重内建电场作用下可以实现 46.9%的产氢量子效率（420 nm）。此外，该项目也对碳化物、磷化物、硼化物及氢氧化物助催化剂改性2D g-C3N4或 CdS 纳米片构建2D层状异质结进行了系统研究，均极大地改进了半导体的产氢活性。本项目以提高光催化分解水产氢效率为研究目标，为新型高效光催化产氢材料体系的制备提供理论基础和科学依据。对制备高催化活性、高稳定性的环境友好型可见光光解水材料具有重要科学意义，可以为发展太阳能制氢技术提供重要的理论和实验依据。