表面氧缺陷对光催化剂的光生电荷分离和迁移作用的研究

Photocatalysis is one of the most important ways to environmental purification and energy conversion, and the photocatalytic activity is the key factor to restrict its application presently. The separation and migration of photoinduced charges is one of the key factors to determine the activities of photocatalysts. This project aims to fabricate high-activity photocatalysts with surface defects by two ways, vacuum deoxidation and controllable reduction of hydrogen (H2), respectively. The density of states (DOS) distribution of the valence band is controlled by tuning the surface defects structure, type and number, which can be contributed to the broaden of the valance band and the reduced of the band gap, promoting the separation and migration of photogenerated charges, so photocatalytic activity is improved. The influences of surface defects states on the band structure, the DOS distribution of valence band, optical absorption and the redox potential can be elucidated via first principle calculations. Many techniques will be used to reveal the physical structure and defect properties of surface defects and bulk defects, discover the influences of defect states on the photocurrent, the photocatalytic degradation process and the separation and migration of photoinduced charges. Through revealing the mechanism of promoting the photoinduced charges separation and migration induced by surface defects, and new type of defect photocatalyst with high activity can be obtained. The implementation of this project will be conducive to better understand the law of charge separation and migration in photocatalysis, and can promote the development of photocatalysis and physical chemistry.

光催化是环境净化和能源转化的重要途径之一，目前光催化活性是制约其应用的重要因素之一。而光催化剂中的光生电荷的分离和迁移是决定其活性的关键问题之一。本项目拟通过真空脱氧和可控氢还原的方法制备表面缺陷型光催化剂。通过表面缺陷结构、种类和数目来调控光催化剂的价带电子态密度分布，降低能带间隙和扩展价带宽度，促进光生电荷的分离和迁移，从而提高其光催化活性。利用理论计算揭示表面缺陷状态对能带结构、价带态密度分布、光吸收性能以及氧化还原势的影响规律。利用多种技术揭示表面缺陷和体相缺陷的物理结构和缺陷性质，揭示缺陷状态与光电流以及光催化降解过程的外在关系以及与光生电荷的分离与迁移的内在规律。揭示表面氧缺陷对光催化剂的光生电荷分离与迁移的促进机理，制备出具有高活性的新型缺陷型光催化剂。该项目的实施可以促进对光催化剂电荷分离与迁移规律的了解，对光催化和物理化学的发展均具有促进作用。

光催化剂的缺陷结构是影响光催化性能的关键问题，本课题通过对缺陷结构开展了系统研究。通过真空脱氧和可控氢化还原的方法制备了表面氧缺陷型光催化剂。通过表面氧缺陷结构、数目和种类来调控光催化剂的价带电子态密度分布，降低能带间隙和扩展价带宽度，促进光生电荷的分离和迁移，从而提高其光催化活性。揭示表面缺陷状态对能带结构、价带态密度分布、光吸收性能以及氧化还原势的影响规律。揭示表面缺陷和体相缺陷的物理结构和缺陷性质，揭示缺陷状态与光电流以及光催化降解过程的外在关系以及与光生电荷的分离与迁移的内在规律。揭示表面氧缺陷对光催化剂的光生电荷分离与迁移的促进机理，制备出具有高活性的新型缺陷型光催化剂。.对氧化锌、钨酸铋、磷酸铋和磷酸镧光催化剂的表面氧缺陷是产生、控制、结构以及对光生电荷迁移、光催化降解性能以及降解机理进行了系统研究。发现可以通过真空脱氧和可控氢化的方法制备了表面氧缺陷型光催化剂。表面氧缺陷引入后，光催化不仅可以产生了光活性红移60nm，并且其本征光催化性能和光电流也分别提高了约2.1和2.5倍。表面缺陷的引入并且改变光催化降解机理，主要活性物种仍为空穴。表面氧缺陷的引入，在价带顶产生了较低的态密度，提升了价带顶，导致价带展宽，禁带宽度减小，从而提高了本征光催化活性，产生了可见光活性。表面氧缺陷BiPO4具有稳定性及对污染物降解活性提高的普适性。发现体相缺陷结构会严重影响光催化剂的光生电荷的有效分离和传输、降低光催化活性。通过表面氧缺陷与表面杂化结构的结合，可以产生协同作用，促进载流子的分离和迁移，大幅度提高光催化剂的性能。.研究发现表面氧缺陷可以促进光生电荷的分离，增强本征光催化活性，同时，还可以使得光吸收红移50-60纳米，提高对可见光的利用效率。但研究也表明体相氧缺陷，会形成光生电荷的捕获中心，降低光催化的活性，但不会改变降解机理。对表面氧缺陷结构的调控，是提升光催化剂性能的一种重要方法。其本质是表面缺陷结构形成的表面态和价带结构叠加，提升了价带顶的位置，产生了红移，同时加宽了价带的宽度，促进了光生电荷的分离和迁移，提高了本征活性。一旦表面缺陷演化为体相缺陷，就会形成捕获中性，大幅度降低光催化性。表面氧缺陷提升光催化性能的方法具有很好的普适性。本研究加深表面氧缺陷对光催化剂电荷分离与迁移规律的了解，对光催化和物理化学的发展具有促进作用。