基于h-BCN纳米片负载过渡金属单原子的合成及光催化性能研究

The harmonious development of society is seriously limited by energy shortages and environmental pollution. Photocatalytic technology can use solar energy to synthesize clean energy and degrade pollutants, which is expected to solve the above problems. With unique electronic band structure and surface feature, h-BCN becomes a promising photocatalyst. However, h-BCN nanosheets are affected by the disadvantages of high exciton binding energy and unavailable surface active sites, which limit both the quantum yield and stability of the photocatalytic reaction. This project intends to use transitional metal single-atom (TMSA) as cocatalyst for h-BCN nanosheets to prepare the composite photocatalyst of h-BCN nanosheets loaded with TMSA. Through the control of the microscopic morphology and fine structure, the regulation of various synthetic factors of TMSA on h-BCN nanosheets will be investigated. On this basis, combining the researches of photoelectric properties, photocatalytic reaction performance and theoretical calculation, the effect of TMSA for h-BCN nanosheets will be explored, including the migration of excitons, the seperation of carriers, and surface reaction dynamics. As a result, it is able to illustrate the photocatalytic reaction mechanism and obtain the h-BCN based photocatalyst with high quantum efficiency and stability. This project will enrich the research contents of photocatalysts and provide theoretical guidance and experimental basis for synthesizing other efficient and stable photocatalysts.

能源短缺和环境污染严重制约社会的和谐发展，光催化技术能够利用太阳能合成清洁能源和降解污染物，有望解决上述问题。h-BCN的电子能带结构和表面性质独特，是一种极具潜力的光催化剂。然而，h-BCN纳米片激子结合能高、表面活性位点缺乏，限制其光催化反应量子效率和稳定性的提高。本项目拟采用过渡金属单原子作为h-BCN纳米片的助催化剂，构建基于h-BCN纳米片负载过渡金属单原子的复合光催化剂。通过微观形貌和精细结构的调控，研究各个合成因素对过渡金属单原子在h-BCN纳米片上的分散度和稳定性的影响。结合光电性能、光催化反应活性及理论计算的研究，揭示过渡金属单原子对h-BCN纳米片中光生激子解离、电荷定向迁移以及表面反应动力学等的影响，阐明光催化反应的作用机制，从而获得高量子效率和高稳定性的h-BCN基光催化剂。本项目的研究将丰富光催化材料内容，为合成高效、稳定的光催化剂提供理论和实验支撑。

研究高量子效率和高稳定性的光催化剂及其作用机制是实现利用太阳能解决能源危机与环境问题的关键。基于该关键问题，结合前期研究基础，本项目主要通过以下三个方向进行研究：（1）h-BCN合成策略探索。采用熔融盐作为高温流体介质调控h-BCN的聚合合成反应，得到大尺寸、原子层级的h-BCN纳米片。利用相同策略获得超薄、超轻、高吸附性的石墨烯。此外，以生物质淀粉水凝胶为模板，通过高温熔盐法合成出了具有光催化活性的三维多孔h-BCN陶瓷气凝胶。在h-BCN的绿色合成方面，开发了一种不含氨气气流合成h-BCN材料的制备方法，并具备光解水活性。（2）负载金属单原子、小尺寸助剂优化光/热催化性能研究，逐级考察单原子、分子、量子点和纳米颗粒不同尺寸助剂的情况。考察金属单原子负载方法和条件对M/h-BCN（M=Pd、Pt）光催化性能的影响，显示金属单原子的负载能提高h-BCN光催化性能。可溶性染料分子EY对LaNiO3进行光敏化构筑EY-LaNiO3光解水产氢体系，二者之间存在键合作用和特殊的电荷传输机制，促进光催化性能提升。静电自组装CdSe量子点和g-CN纳米棒构建0D/1D光催化剂，其内电场和S型的电荷转移路径，具有更高效的载流子分离效率、更强的光吸收能力和更丰富的活性位点，增强其氧化还原能力。通过碱性物质（NaOH）和强正电性金属离子（Cd2+）对金属纳米颗粒/载体（Ru/TiO2、Pt/TiO2）进行修饰，优化催化剂对CO2的吸附和活化过程，从而使CO2进行选择性催化转化。（3）异质结构促进光催化性能研究。发展一种新型、普适的产氧助催化剂（CoS2），通过静电吸附将CoS2与半导体光催化剂结合，能有效地调控半导体中光生载流子分离与迁移路径，降低水的氧化过电位，从而显著地提高光催化水氧化速率。构建可见近红外光响应的直接Z型异质结LaNiO3/CdS光催化剂，有效地促进光生载流子在界面的迁移、分离，从而促进其光解水产氢效率和稳定性的提高。