BiOX(X=Cl,Br,I)二维超薄纳米晶电子结构与光电特性的原位表征及光催化性能研究

Atomically-thick two-dimensional(2D) ultra-thin nanocrystals possess outstanding photoelectronic properties because of their anisotropic structure, defects and surface states. It is a good opportunity to find novel physics and new strategies to develop energy conversation materials and electronic devices via in-situ study on the electronic structure and photoelectronic properties of 2D nanocrystals. The interaction of two layers halogen ions is Van der Waals' force in layer structured matlockite BiOX(X=Cl, Br, I) compounds, which is a kind of weak interaction comparing with other bonding state. The atomically-thick 2D nanocrystals can be prepared by surfactant induced growth method or high energy exfoliation process. This project will target at research on atomically-thick 2D BIOX nanocrystals, will fed on in-situ study on the electronic structure and photo-induced transport properties of BiOX 2D nanocrystals under light irradiation, electronic field and molecule adsorption,and will focus on mechanism study between electronic structure, photoelectrocnic properties and the quantum confinement effect, quantum size effect, defects and surface states. The study of first principle calculation, synthesis and fabrication, electronic structure characterization, photo-induced transport properties, quantum efficiency and photocatalytic activity will be performed in detail. Via research of this project, it will give case study for exploring the novel high performance photocatalysis of 2D BiOX compounds, it will rich basic understanding and physic of 2D materials and lay a solid foundation for next generation photocatalysis and eastablish the theoretical model of electronic structure of 2D photocatlysis.

原子级尺度的二维超薄纳米晶材料，由于其结构各向异性、缺陷和表面态的影响，表现出优异的光电性能。针对此类材料光电输运性能的原位研究有可能发现新的物理现象，并为下一代能源转换材料和电子器件的开发带来新的思路。具有氯化铅结构的三元Bi系层状化合物BiOX（X=Cl,Br,I）层间的X离子是通过范德瓦尔斯力结合的，通过表面活性剂控制生长或高能剥离技术可以获得原子尺度的BiOX二维纳米晶材料。本项目将以BiOX二维超薄纳米晶材料为研究对象，以材料在外加光、电场及吸附分子存在条件下的电子结构与光电特性的原位表征为手段，以探索材料的光催化性能与低维限域效应、量子尺寸效应和表面结构的关系和规律为核心，开展第一原理计算、材料制备、电子结构、光电输运、量子效率及光催化特性的研究。通过本项目的研究制备出具有高量子效率、高可见光利用率的BiOX二维光催化材料，建立二维纳米晶材料光催化机理的电子结构模型。

二维超薄纳米晶材料，由于其特殊的层状结构而通常具有优异的光电性能，研究此类材料的原位光电输运性能对拓展新一代能源转换材料和电子器件具有十分重要的科学价值。具有X-Bi2O2-X结构的三元Bi系层状化合物BiOX（X=Cl,Br,I）通过层间的X离子间范德瓦尔斯力结合而成，实验上可以通过表面活性剂控制生长或高能剥离技术获得原子尺度的BiOX二维纳米晶材料。并通过缺陷浓度、材料内部结构应力、超薄二维结构等手段有效的调控材料的电子态，从而进一步提高和改善其可见光利用率、光电输运特性、量子效率等，以得到光催化性能较好的BiOX二维光催化材料。.以此为基础，通过调控材料内部缺陷、内部应力结构等方法得到不同特性的二维光催化超薄纳米晶BiOX（X=Cl,Br,I），以提高其对太阳光的利用率和量子转换效率，发展具有可见光响应的、高效的、高稳定性的新型系光催化材料为目标，取得主要成果如下：1. 依据缺陷调控的策略，制备了具有不同氧缺陷浓度的二维光催化超薄纳米晶BiOX（X=Cl,Br,I）。并通过改变PH值得到具有不同内部应力和不同形状的纳米片。制备得到大面积（001）暴露的BiOX（X=Cl,Br,I）纳米片。同时结合第一性原理计算研究了这系列化合物的电子结构、能带结构，发现在引入缺陷可以使可见光吸收范围拓宽，且价带顶和导带底的轨道杂化态均有所增强，能带弥散度增加，光生载流子具有较轻的有效质量，有利于载流子的迁移。2. 理论计算详细研究了在不同应力、电场、压力调控作用下的二维BiOX（X=Cl,Br,I）材料的电子结构。结果显示，以上手段均能改变材料的带边电子态组分，并使得二维BiOX（X=Cl,Br,I）材料的能带结构间接带隙与直接带隙之间相互转化，实现了对材料的电子结构的调节。此外层内Bi-Cl键和层间Bi-Cl键之间的竞争作用在电子结构变化过程中起到了主要作用。3. 本项目在Nano Energy，ACS Catalysis等杂志上共发表论文25篇（SCI23篇），申请专利2项，培养博士生1名，硕士生5名。通过本项目的研究，在基于二维材料的特殊层结构特征上，我们发现了缺陷、应力、压力等对二维BiOX（X=Cl,Br,I）纳米晶的光催化性能都有不同程度的提升，得到了具有高电子空穴迁移率的二维BiOX纳米晶（X=Cl,Br,I），并为探索高性能的光电能源转化材料提供了新思路。