单分散Ni掺杂CdSe/ZnS核壳量子点的可控合成及其光解水制氢性能和机理研究

The research on the semiconductor quantum dots (QDs)-based multi-component photo-induced water splitting hydrogen producing system is important for well solving the problems of the energy shortage and environmental pollution. Our proposal is to design and synthesis of monodispersed Ni-doped CdSe/ZnS core/shell QDs. Through the introduction of Ni dopant into the CdSe/ZnS nanocrystals, we expect to create the highly active Ni related cocatalyst in the ZnS shell of the QDs to realize the high quality combination of the light absorber and the cocalyst; meanwhile, through the control of the CdSe core size, the ZnS shell thickness and the amount of the Ni dopant as well as their position in QDs, we expect to significantly enhance the hydrogen photogeneration efficiency of Ni-doped CdSe/ZnS QDs-based multi-component photo-induced water splitting hydrogen producing system. In addition, combing with the detailed studies of the changing of the physicochemical properties of the QDs with different parameters, the exact effects of these parameters on the catalytic performance of QDs will be discussed, and the possible mechanism will be proposed.

研究基于半导体量子点的多组分光解水制氢体系，对于解决能源短缺以及环境污染问题有着重要的科学意义。本项目提出制备单分散的Ni掺杂CdSe/ZnS核壳量子点纳米结构，旨在通过Ni元素的掺杂，在CdSe/ZnS核壳量子点中形成具有高催化活性的围绕Ni原子周围的共催化剂，从而将光捕获剂（CdSe/ZnS核壳量子点）同共催化剂高质量的结合到一起；同时通过对量子点CdSe内核尺寸的大小、ZnS壳层的厚度、Ni原子在量子点中的含量以及位置等参数的精确控制，显著提高基于Ni掺杂CdSe/ZnS核壳量子点的多组分光解水制氢体系的效率；并进一步通过对比研究具有不同参数的Ni掺杂CdSe/ZnS核壳量子点的光解水制氢活性与其物理化学性质变化之间的关系，深入探讨相应的机理。

以半导体材料作为光催化剂，利用太阳能分解水制氢，被认为是能在较低成本的前提下，同时解决能源短缺以及环境污染问题的有效方案，因此，相关研究一直是国际上的热门领域。本项目拟通过Ni 元素掺杂的方法，在核壳量子点中原位形成围绕Ni 原子周围的高催化活性位，从而显著提高基于Ni 掺杂核壳量子点多组分光解水制氢体系的制氢活性，并通过对相应机理的研究，为进一步提高基于量子点的多组分光解水制氢体系的效率提供新途径和一定的理论基础。通过项目三年的执行，基本完成了预期目标：首先，我们详细研究了，核壳量子点的壳层厚度对于其光催化活性的具体影响，结果表明，壳层厚度的变化对于量子点的光催化活性有着显著的影响。进一步深入研究后，发现，壳层厚度增加所引起的光吸收的增强、光生载流子从内核向壳层区域驱动力的增加，以及壳层区域载流子复合机率的增加三个因素的协同作用是造成这一现象的原因；进一步的，基于上述研究结果，我们发展了一种能够将Ni原子在准原子尺度上嵌入到量子点中的简便方法，且嵌入的Ni原子能够作为光催化活性中心，实现高效、稳定的分解水制氢。上述结果，希望能够为将来设计并制备高效稳定且价格低廉的光催化剂提供一定的参考。