光催化材料的内建电场的构建及其促进光生载流子分离的物理化学过程

Photocatalysis is one of the most potential technique to solve Energy Crisis and Environmental pollution. However, the low photocatalytic activity greatly limit its practical applications. After years of research, it has been made a breakthrough on expanding the visible light responses of photocatalysts, whilist the separation efficiency of photoinduced charge carriers is still low, which has become the main problem to further enhance the photocatalytic activity. To further promote the separation of charge carriers during the photocatalytic process, develop correlative theories on designing efficient photocatalysts, and investigae the physico-chemical processes, can not only rich the extent of photocatalysts and increase the photocatalytic activity, but also be important for the further development and practical applications of photocatalysis. Therefore, on the basis of our previous investigations on visible light photocatalysts, in this project we proposed utilizing the spontaneous polarization electric field as the driving force to promote the separation of photoinduced charge carriers to further improve the photocatalytic activity, and investigate the synthetic method, designing theories and the physico-chemical processes of photocatalysis, and the practical applications on solving Energy crisis and Environmental problems.

光催化技术是解决目前能源短缺和环境污染的有效解决手段之一，然而目前光催化材料较低的催化效率大大限制了其在实际生活中的大规模应用。经过多年的研究，人们在拓展光催化材料光谱响应范围方面已取得较大突破，而光生载流子的分离效率依然较低，成为影响光催化活性的最主要问题。进一步促进光催化材料光生载流子的分离，发展有利于光生载流子分离的材料设计理论，并研究其物理化学过程及机理，对进一步拓展光催化材料体系，提高光催化活性，推动光催化技术的发展及其实际应用具有及其重要的科学意义。因此，本项目拟以在可见光光催化材料方面的相关研究为基础，提出利用极性材料的自发极化电场作为促进光生载流子分离的驱动力，开展新型高效的极性光催化材料的制备方法、设计理论和光催化反应中的物理化学过程及机理的研究，并探索其在解决能源与环境问题中的实际应用，进一步推动光催化技术的发展及其实用化。

光催化技术是解决未来能源短缺和环境污染最具潜力的解决方案之一，然而光生载流子分离效率低导致的光催化活性差是制约其发展和实际应用的关键。本项目以具有自发极化的极性光催化材料为主要研究对象，实验结合理论，开展新型极性光催化材料的设计、制备、表征及其应用的探索研究，进一步提高光催化过程中光生载流子的分离效率和光催化活性，为光催化技术的基础研究和实际应用提供新的理论、方法和材料体系，推动相关学科和产业的发展。通过课题组成员五年的努力工作，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Chem. Mater., Chem. Commun.等学术期刊发表SCI论文160篇，其中影响因子大于10的17篇，4篇论文入选ESI高被引论文。申请国内发明专利34项，其中授权12项。主办国际会议1次，国内学术会议1次，并受邀多次参加国内外学术会议，并做特邀报告27人次。团队建设方面，黄柏标教授和戴瑛教授获得山东省”泰山学者“特聘教授，王朋教授获得中组部“青年千人”，另有四名课题组成员获得山东大学“齐鲁青年学者”。共培养研究生36名，硕士研究生35名。毕业的学生获得“全国百篇博士论文”1项，获得国家奖学金11项，山东大学校长奖学金3项。并获得省部级科技奖励3项。提出并发展了基于内建电场构建的极性光催化材料的设计理论、基于有机分子修饰的有机-无机复合光催化材料设计理论和基于分子设计的金属有机分子光催化材料的材料设计理论。结合纳米材料制备、微结构调控、表面/界面及缺陷调控等方法，设计并制备了Bi基极性光催化材料、Ag基硅酸盐可见光极性光催化材料、极性复合光催化材料、有机分子修饰有机-无机复合光催化材料、金属有机分子光催化材料等具有高载流子分离和宽光谱吸收的新型光催化材料。基于单晶材料，研究并阐明了内建电场同光生载流子传输的相互作用规律。结合理论计算模拟，对光生载流子传输过程及激励、光催化反应动力学、光催化材料表面/界面状态对光吸收及光催化反应的影响机制等进行了详细研究。