基于电荷分离策略构建高效“空穴转移催化剂-半导体-电子转移催化剂”复合材料及光催化制氢研究

With the rapid development of the national economy in China, the new energy resources play very important roles.Among many new energy resources, solar driven Hydrogen production can provide the future clean energy and has attacted much attention. Design and synthesis of suitable cocatalysts is one of the key problems in the construction of high efficient artificial systems for photocatalytic water splitting. Inspired by natural enzymes for water oxidation and hydrogen production and based on previous studies, this research project is to design and synthesize a series of novel "hole transfer catalyst -semiconductor - electron transfer catalyst" photocatalytic systems.The interfacial relationship between the photocatalysts and the cocatalysts will be discussed. We will regulate the catalyst structures and redox potentials, study the catalytic mechanisms of the cocatalysts for photoinduced charge transfer processes during water splitting catalysis, and explore the relationship between structures and catalytic properties. As a result, the general rules and design methods for highly active cocatalysts will be discussed by screening a number of catalysts materials for water oxidation and hydrogen production. In addition, these cocatalysts are expected to be loaded onto the semiconductor photocatalysts and photoelectrodes to construct artificial photosynthetic systems for water splitting. Some new concepts and methodologies will be developed in order to realize the efficient conversion of solar energy into chemical energy.

在国民经济高速发展的环境下，新能源占据着特别重要的战略地位，光催化制氢可提供未来的清洁能源吸引了人们极大的关注。在光催化制氢体系中，高效助催化剂的负载能够有效的转移光生载流子，提供反应活性位点，从而提高光催化水分解产氢和产氧的活性。因此，设计与合成合适的助催化剂是构建高效水分解制氢体系的关键问题之一。基于前期的研究工作，本研究项目拟以控制光生电子-空穴和高效电荷分离为出发点，设计与合成系列新型的“空穴转移助催化剂-半导体-电子转移助催化剂”光催化体系，调控催化剂的结构及表界面之间的关系，理解助催化剂接受光生电子或者空穴及催化水分解反应的规律，探索催化剂结构和性能的关系，理解助催化剂设计的一般规律和方法；优化筛选出一批高活性低成本的产氧和产氢助催化剂材料，负载到半导体光催化剂上，合理构建人工光合成体系，进一步研究助催化剂在光催化水分解体系中的应用，为实现人工光合成水分解的高效转化奠定基础。

在光催化体系中，高效助催化剂的负载能够有效的转移光生载流子，提供反应活性位点，从而提高光催化水分解产氢和产氧的活性。因此，设计与合成合适的助催化剂是构建高效水分解制氢体系的关键问题之一。本项目设计与合成系列新型的“空穴转移助催化剂-半导体-电子转移助催化剂”光催化体系，调控催化剂的结构及表界面之间的关系，详细研究了一系列复合光催化体系用于光催化产氢，并系统研究了其用于光催化产氢的性质，包括其电化学性质，催化过程中催化剂的活性、稳定性及转化率，获得了产生H2速率为∼848 µmol/h的光催化剂，且其量子效率为63.2%。探索和开发了非贵金属磷化物、氧化物包括Ni2P、CoP、FeNiP、NiFe2O4、CuO等非贵金属催化剂，用于催化水氧化，并对合成及反应条件进行了优化和系统的研究，获得了水氧化起始电位为1.35 V (vs. RHE) 的水氧化催化剂，且其10 mA/cm2的电流密度仅需180 mV的过电势。发展了新型多孔光阳极，包括负载金属磷化物及羟基氧化物的多孔钛掺杂赤铁矿光阳极以及多孔钒酸铋光阳极，获得了光电流密度为4.1 mA/cm2 (1.23 vs. RHE) 的光阳极催化剂，且其光电转化效率(IPCE) 在420 nm单色光照射时可达75.8%。