窄禁带量子点/宽禁带纳米线异质结构光催化体系的构筑、界面特性及水解制氢

在窄禁带耦合宽禁带半导体光催化水解制氢中，窄禁带在宽禁带半导体上的均匀性、界面结构及体系的可见光响应、能级匹配是影响其水解制氢效率的关键因素。课题将工艺参数调控与异质结能级结构构筑相结合，拟选择CdS和PbS窄禁带量子点共耦合ZnO纳米线，构筑易于光生载流子转移和传输的"阶梯式"能级；采用措施辅助的SILAR工艺提高窄禁带量子点在纳米线上沉积的均匀性和界面结合，研究其均匀沉积的反应机制；通过工艺参数调控及快速退火降低热预算等，实现对窄禁带/宽禁带异质结的界面质量控制；探讨该体系可见光宽谱高效催化水解制氢的动力学效应与机理，分析与界面特性及质量控制相关的缺陷复合在窄禁带/宽禁带耦合半导体光催化水解制氢中的作用机制。本课题的研究重点是找出制约太阳能水解制氢窄禁带/宽禁带耦合半导体光催化体系效率的关键基础理论问题，为未来高效低成本水解制氢光催化剂的开发和应用奠定必要的理论和实践基础。

在窄禁带量子点耦合宽禁带半导体光电催化产氢体系中，体系的可见光响应范围、能级结构及光生载流子的分离与复合机制等是影响其光催化活性的关键科学问题。项目基于上述问题，首先构筑了CdS和PbS量子点共敏化ZnO纳米阵列的ZnO@CdS/PbS核壳异质结复合光催化体系，优化了前驱体浓度、浸渍时间、温度等工艺参数，探讨了ZnO与CdS和PbS量子点的界面结合、晶型结构、界面及缺陷控制等制约其光催化活性的关键因素，在ZnO@CdS/PbS体系中构筑了易于光生载流子转移和传输的“阶梯式”能级结构，分析了双窄禁带量子点半导体共耦合层厚度、耦合顺序对光生载流子的分离与输运机制及光催化、水解制氢性能的影响，获得了5%以上的光电催化水解制氢效率。通过控制前驱体溶液浓度来控制CdS量子点的粒径，在ZnO纳米棒表面生长不同粒径的CdS量子点层，制备“彩虹”电极，实现了对梯度结构的构筑。此外，以PEG为表面活性剂，在ZnO纳米阵列表面负载菜花状CdS，增加光利用率。优化了反应工艺参数，探讨了ZnO与硫化物窄禁带量子点半导体层的界面结合、晶型结构、界面、缺陷控制及能级结构，并对产物进行了光催化和水解制氢性能的研究，获得了4.88%的光电催化水解制氢效率。采用离子交换法制备了一系列ZnO基核壳异质结纳米阵列，ZnO/ZnS/Ag2S、ZnO/ZnS/Sb2S3、ZnO/ZnS/CuS、ZnO/ZnS/Cu2S、ZnO/ZnS/CdS、ZnO/ZnS/Bi2S3、ZnO/ZnIn2S4、ZnO/CuInS2等，研究了离子交换反应过程的基本机理，分析了体系能级结构特性及光生载流子的输运等，并对产物进行了光催化和水解制氢性能的研究，获得了高的光电催化水解制氢性能。通过一步化学反应法在TiO2纳米阵列外生长了Ag、Ag2S和Ag3CuS2三种光敏化剂，探讨了Ag单质的SPR效应对体系光生载流子的传输效率的增强影响，分析了Ag2S和Ag3CuS2对体系可见光响应范围的扩大和减小电子-空穴对复合机制的影响，优化了TiO2/Ag/Ag2S/Ag3CuS2纳米阵列的最佳工艺参数，获得了高的光电性能及水解制氢性能。本项目探讨了制约太阳能水解制氢窄禁带半导体耦合光催化体系效率的关键基础理论和技术问题，取得了很好的研究成果，为未来高效低成本水解制氢光催化剂的开发和应用奠定了一定的研究基础。