TiO2的CO2光催化效率的量子点敏化调制

Recently, there has been an increasing interest in the area of photocatalytic reduction of CO2 and H2O on TiO2 under the sunlight irradiation. This is an innovative way to both reduce the level of CO2 emissions, and produce renewable and sustainable fuels. However, its low CO2 conversion efficiency remains one of the most challenging problems preventing the practical application. Sensitization of TiO2 by narrow band gap semiconductor quantum dots is an effective way to simultaneously extend the optical absorption region of TiO2 from UV to visible, and suppress the fast recombination of photogenerated electron-hole pairs. Based on our previous work, this project aims to utilize CdSexTe1-x quantum dots (QDs) to modulate the photoefficiency of TiO2. By combining theory, spectroscopic characterization, and computer calculations, we plan to investigate: (1) the relationship between chemical composition and size of QDs and the optical absorption region of QDs/TiO2 composites; (2) effect of band alignment and band offsets between QDs and TiO2 on the separation of photogenerated electron-hole pairs and charge carrier transport; (3) the role of surface/interface defects on the electron-hole recombination. Consequently, we will develop a reliable characterization methodology, and a new theoretical model for optimizing the conversion efficiency of TiO2-based photocatalysts by QDs sensitization.

TiO2光催化还原CO2生成碳氢燃料等有机物，以地球上储量最丰富的H2O为还原剂，利用太阳能为反应能量来源，对解决温室效应、开发新的绿色能源具有重要意义。提高光催化还原效率是实现这一技术在实际环境净化应用的最具挑战性的课题之一。量子点敏化可以同时拓展光催化剂的光响应范围和抑制光生载流子复合从而提高光催化还原效率。此项目旨在现有研究工作的基础上，通过理论预测、荧光光谱、时间分辨光谱、拉曼光谱等实验测试技术与密度泛函数计算相结合的方法，深入探索：（1）窄禁带半导体合金CdSexTe1-x 量子点组分、大小对TiO2基复合型催化剂的光响应范围的调控；（2）界面处能带偏移对光生电子-空穴分离和电荷输运过程的作用规律；（3）表面、界面缺陷对光生载流子复合的影响。从而建立TiO2基光催化剂的量子点敏化调制模型、可靠的实验检测技术、和数值分析方法，实现光催化剂的性能调控。

半导体光催化还原CO2技术是一种新型的开发绿色能源和治理温室效应的技术。本项目主要针对量子点敏化二氧化钛复合光催化剂的制备及活性研究。研究内容包括：1）CdSe/TiO2复合光催化剂的制备、活性及及机理的研究；2）CdSe/石墨烯/TiO2复合光催化剂的制备、活性及及机理的研究；3）CdTe/TiO2和CdTe/石墨烯/TiO2复合光催化剂的制备、活性及及机理的研究；4）实验检测结合第一原理密度泛函数计算对非金属和金属掺杂掺杂调节TiO2的光催化活性及内在机制的研究。项目研究的主要成果是系统的研究了镉属金属硫化物/二氧化钛复合光催化剂，以拓展光响应范围，抑制光生载流子复合，进而提高光催化活性为目标，获得高效还原CO2的复合光催化剂，完善了半导体光催化还原CO2的技术。具体如下：1）采用水热法制备了CdSe/TiO2复合光催化剂，解决了TiO2光谱响应范围窄和光生载流子复合快的问题。进一步研究了制备条件对复合光催化剂的晶体结构、光吸收性能、电化学性能、CdSe和TiO2异质结界面处的能带偏移、光催化活性和光生载流子迁移机制。2）在CdSe/TiO2复合光催化剂研究的基础上，通过与石墨烯复合进一步改善光生载流子的分离与转移，有效的增强了光催化还原CO2的效率。3）采用水热法制备了CdTe/TiO2及CdTe/石墨烯/TiO2复合光催化剂，解决了TiO2光谱响应范围窄和光生载流子复合快的问题。进一步研究了复合光催化剂的光吸收性能、异质结界面处的能带偏移、光催化活性、分析比较了CdSe基和CdTe基复合光催化剂的性质。4）结合实验表征与第一原理密度泛函数理论，研究了B-Y、B-Zr、B-Ta、N-Ta四种非金属-金属掺杂TiO2体系的电子性质、光学性质及光催化活性。归纳相关规律、阐明量子点敏化二氧化钛复合光催化剂的内在机制。本项目的研究极大的完善了半导体光催化技术，可为发展高碳氢燃料产率的光催化剂提供科学依据和技术储备，使其有望解决能源短缺和环境污染问题。