二维光催化材料的范德华外延生长及其构-效关系研究

The photocatalytic technology based on semiconductor, e.g. TiO2,is a promising environmental pollution treatment technology because of it's advantages including the complete mineralization of pollutants and mild reaction conditions. However,the synthesis of the active photocatalyst with the high visbile light response has been being a big problem. Transition-metal dichalcogenides (TMDs) have the similar structure with graphene with a narrow band gap, moreover,the band gap energies of the heterostruture composites are controllable and the photogenerated carries are easily separated. Based on the layered structure and no dangling bonds on surfaces, in this project, the heterostructure composites TMDs will be prepared through the van der waals epitaxy. We will use TMDs composites as the sensitizers for TiO2 nanoplates. The photogenerated carriers in TMDs will be separated efficiently due to the multi-grades transition of electrons by conrolling the band gap matching, so the photoelectrons will be efficently jumped into TiO2.The active TMDs/ TiO2 photocatalyst under visbible light with high quantum efficiency can be obtained.The degradation kinetics will be obtained by using pentachlorophenol as a model pollutant, and spectral analysis,photoelectrochemistry experiments and theoretical calculation will be used for the study of structure-activity relationship. This project will provide new materials and ideas for the visible light photocatalytic technologies.

基于半导体材料（如TiO2）的光催化技术，具有对污染物矿化彻底、反应条件温和的特点，是极具应用前景的环境污染治理技术。然而，可见光响应型高效光催化剂的制备长期困扰着科学界。过渡金属硫族化合物（TMDs）是具有类似石墨烯结构的窄带隙光催化材料，而且其异质结构复合材料具有带隙可调、载流子分离效率高的特点。基于TMDs二维层状结构和表面无悬挂键的特性，本课题提出基于范德华外延制备TMDs复合材料, 将其作为"敏化"剂修饰TiO2纳米板。通过调控TMDs异质结构的能带匹配，TMDs光生电子的多级跃迁导致载流子有效分离，促进光生电子向TiO2的有效跃迁，有望获得高量子效率的可见光响应型TMDs/ TiO2光催化剂。以五氯酚为模拟污染物，研究催化剂对污染物的降解动力学，借助光谱分析、光电催化实验和理论计算，获得材料电子结构与性能间的构效关系。本项目的开展将为可见光催化技术提供新材料和新思路。

光电催化系统的效率取决于吸光效率、载流子分离效率、催化效率三者的耦合，本课题提出制备新型过渡金属二维材料、构建半导体异质结构来提升光电催化系统的效率。本研究构建了TiO2-CdSe、TiO2-CdS异质结构，有效改善TiO2吸光能力和光催化性能（光电流提高4倍），进一步提出炭膜保护提高半导体稳定性的新策略，加速光生载流子的传递和分离，提高载流子利用效率，有效避免了光腐蚀问题；开发了一系列新型二维纳米材料，并构建了一系列异质结构。采用硫化的方法合成了金属硫族化合物NiS2二维纳米片、揭示了其微观结构和构效关系；合成了Ni-S-O二维纳米片，该类材料不仅具有优异的催化能力，而且具有良好的透光性，促进了光催化动力学同时对于半导体吸光没有影响；开发了CoFe-OH二维纳米片光电沉积制备新方法，纳米片厚度仅为2-4 nm，该方法温和，构建了“半导体-催化剂”核壳结构的光电催化电极，具有高质量的界面，避免在半导体-催化剂界面产生缺陷，减少光生载流子在界面的复合，提高量子效率，从而有效提高光电催化效率。借助GC-MS技术，揭示了氯酚氧化降解的机理，即羟基自由基脱氯形成苯酚然后形成苯醌，开环反应生成脂肪族羧酸，最终矿化为小分子的有机酸，二氧化碳和水。本研究的开展对于光催化、二维材料等领域具有一定的借鉴意义。本课题发表SCI论文7篇，其中1%ESI高被引论文一篇，申请专利3项，培养研究生4名。