多孔SiC及Si1-xGexC固溶体的液相合成与光催化性能研究

Photocatalytic reduction of CO2 can potentially solve the carbon emission problem and supply fuels at the same time. Thanks for the good chemical stability, high electron mobility, abundant active sites, facile charge/mass transport path and light trapping effects, porous SiC with large surface area is considered to be promised photocatalyst. This project aims on the controlled solution phase synthesis of porous SiC by utilizing the in-situ formed salts as templates. The composition, crystallinity, porous structure, surface area and other properties will be adjusted by changing the reaction conditions, such as reductant, precursor, solvent, temperature and time etc. Try to get a deep understanding to the formation mechanism of porous SiC and further explore the possibility and conditions of solution phase synthesis of Si1-xGexC. Basing on the performances of photocatalytic reduction of CO2, further researches will be focused on the study of electron transfer and mass diffusion in the porous carbon group materials. And try to supply scientific evidences for developing high efficient photocatalysts.

光催化还原CO2可同时缓解温室效应和能源危机，日益受到人们的重视。SiC具有光生电子还原能力强、化学稳定性好等特点，是一种性能优良的光催还原CO2的催化剂。而大比表面积的多孔SiC可有效地提高其光催化性能。本项目以人工光合作用为研究背景，以大比表面积多孔SiC的液相合成为切入点，利用原位生成的无机盐纳米晶为模板，设计合成结晶性、比表面积、孔结构、半导体类型和能带结构等可调的多孔SiC材料，认识其形成机理。在此基础上，通过制备组成可控的Si1-xGexC固溶体调节其能带结构和光吸收性质。并以光催化还原CO2为指针，系统研究电子和物质在多孔SiC及Si1-xGexC固溶体中的行为和传输（扩散）规律，建立多孔材料组成、结构、电子传输（物质扩散）规律和性能之间的关系模型，为开发高效光催化剂提供依据。

本项目以大比表面积多孔碳化硅的液相合成为主要研究目标。在硅-碳物质转化规律指导下，通过反应体系的设计，以氯化钠-氯化钾为模板，利用钠钾合金强还原剂克服了碳化硅物相生成所需的巨大能量，合成了非晶大比表面积多孔SiC及其Si1-xGexC；在此基础上通过引入结晶催化剂和提高反应温度，促进了碳化硅物相的形成，成功制备出高结晶性多孔碳化硅材料。系统研究液相体系中前驱体、溶剂和结晶催化剂等对产物的组成、结晶性、比表面积和孔结构的影响，对多孔SiC及Si1-xGexC固溶体合成的关键问题和形成机理有了一个初步的认识。进一步研究了B、P掺杂对碳化硅形貌、晶相和能带结构的影响。光催化研究表明低温制备的结晶碳化硅表面存在大量的非晶结构和缺陷，严重影响了其催化活性；且热处理、强酸氧化和碱刻蚀等手段对非晶部分处理效果不理想。利用其大比表面积和耐热、酸碱的特性，将其发展为催化剂载体，探究了多孔碳化硅在甲醇裂解反应中的应用。项目组还将盐模板策略拓展应用于其他多孔碳化物和多孔石墨类复合材料的控制合成，并探究了这些材料在长寿命电催化析氧和锂电池负极领域的应用。反向运用碳化硅生成转化规律的认识，通过理性设计有效避免了硅碳复合材料中碳化硅的生成，提高了硅碳复合材料的储锂性能。.在重要刊物上已发表15篇学术论文，申报7项国家发明专利，授权发明专利4项。已培养博士研究生4人，其中已有2人获得博士学位；培养硕士研究生4人，其中3人已获得硕士学位。