具有内建电场硼-氧基极性光催化材料的构建及光生电荷行为研究

The separation efficiency of photo-generated electron-hole is the first key scientific issues during the process of photocatalysis. It is found that the polar material ith noncentrosymmetry structure has built-in electric field, which is very conducive to the photo-generated electron– hole separation. On this basis, this project intends to prepare B-O motifs polar optical catalytic materials through igh temperature solid -phase approach, study the electronic structure, optical xcitation, photo-generated carriers in the interface transfer mechanisms and investigate the reactant molecules adsorbed on the catalyst; to prove B-O structure affect the catalytic activity of polar materials. By combining molecular dynamics calculation process , clarify the relationship between the composition , structure and properties of the catalyst, then establish the B-O –based photocatalytic mechanism model in the degradation of the chlorophenol pollutants, at last, to realize chlorophenol pollutants efficiently and quickly removed. Ultimately lay the theoretical and experimental basis for such polar materials in photocatalysis field.

光催化过程中如何有效提高光生载流子的分离效率是该研究领域首要解决的关键科学问题之一。具有自发极化的极性半导体利用其产生的内建电场作为推动力对光生的电荷分离具有促进作用。基于此，本项目拟采用高温固相法制备具有B-O基结构的极性光催化材料；研究电子结构、光生载流子在内建电场作用下的迁移机制，分析不同B-O基元及金属元素对极性材料表面电势的影响；通过原位拉曼及表面光伏等手段研究材料表面结构、电子迁移、复合等过程；运用第一性原理阐明污染物分子在催化剂表界面上的吸附行为及作用机理。通过调控界面局域微结构，揭示内建电场对光生电荷分离及光催化活性的影响；结合分子动力学过程阐明极性材料的组成、结构及性能之间的关系；建立B-O基光催化降解卤代烃类污染物机理模型；实现对卤代烃类污染物的高效去除，最终为B-O基极性材料在其它有机污染物中的应用奠定理论基础和实验依据。

光催化是一种直接利用光产生的电子和空穴在材料表面发生的氧化还原反应而将光能转换为化学能的新型高级氧化技术。光催化技术的发展，为深度处理水体与大气中的污染物以及寻找替代性的可再生能源提供了可行的途径。但是，由于光生电子-空穴对易复合、量子效率偏低、光响应范围较窄以及机理尚不明确等问题，限制了其在实际中的应用。.具有自发极化的极性半导体利用其产生的内建电场作为推动力对光生的电荷分离具有促进作用，基于此，本项目以B-O结构基元为基础，结合具有高吸收性能的碱金属（Na、K）、碱土金属（Ca、Sr、Ba）和具有d0电子结构的过渡金属元素（Mo、W)，以及X为卤素元素（F、Cl、Br），设计和合成出了5类对可见光响应的极性光催化材料，K3B6O10X（X = Cl，Br）；RbNa2B6O10X (X=Cl, Br)；Ag/Au沉积Na3VO2B6O11；K3-xNaxB6O10Br (x=0-1)；.通过XRD、TEM及SEM分析了极性材料的晶相结构、晶粒尺寸及形貌，通过XPS测试了材料表面化学态、BET测试了比表面积及孔径大小，采用Zeta电位仪分析材料表面电荷种类，采用DRS测试了催化材料的光吸收性能； FT-IR了表征材料组成基团； Raman研究材料微观结构；采用PEC系统测试了材料光电流响应；通过计算偶极研究了材料极化或电荷转移的行为对其中基底材料表面功函的影响。在暗光或光辐射下，采用原子力（AFM）及开尔文探针力显微镜（KPFM）等手段研究表面功函的变化；通过考察在不同温度、浓度、pH值、催化剂用量下，卤代烃类物质的降解效率；结合总有机碳分析仪（TOC）和离子色谱（IC）考察了催化剂降解效率；利用高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）等光谱手段进行了中间产物的鉴定，进一步分析了卤代烃降解分子动力学、热力学及表/界面过程。通过本项目的执行，目前发表SCI学术论文11篇，申请专利3项。培养硕士研究生3名。.本项目通过复合金属元素及卤素元素设计和合成出系列具有可见光响应的极性光催化材料，利用自发极化引起的内部极化电场来促进电子空穴在材料内部的迁移和扩散可以很大程度上提高载流子分离效率，为解决光催化领域面临的难题提出了新思路和新的解决方式。