光解水制氢单分子单纳米粒子催化过程及机理研究

Photocatalyst plays the key roles in photocatalytic overall water splitting for hydrogen generation. Nowadays, the understanding of the detailed photocatalysis behaviors and mechanisms in molecule level is becoming the determine step for the further expected breakthrough of this technique. Based on the novel single-molecule and single-nanoparticle catalysis technique, this project plans to study the precise photocatalysis mechanism of the corresponding water splitting process, especially the actual photocatalytic effect of the structure and crystalline type of the photocatalyst. The interaction between photocatalyst and co-photocatalyst is also studied by single molecule -single nanoparticle research. The obtained mechanism information can provide guideline in fabrication of photocatalyst.

光解水制氢催化剂是光解水制氢技术的核心环节，对其分子级别的实际催化行为和作用机理的认识成为光解水制氢技术取得进一步突破的关键，本项目拟采用单分子-单纳米粒子催化研究技术研究光解水制氢的催化机理，研究光催化剂的结构、晶型等对催化性能的影响。以典型的光解催化剂二氧化钛作为研究主体，着重研究二氧化钛不同晶型、不同晶面的单纳米粒子催化行为，以此建立光催化剂晶态结构与催化性能的直接关联；通过单分子-单纳米粒子催化过程的研究，揭示二氧化钛纳米粒子与助催化剂在光解水过程中的协同作用本质，为复合光催化剂的合成制备提供原理性指导，实现降低催化剂带隙宽度，提高可见光利用效率的目的。

本项目从能源的角度出发，针对氢能源的制备与能量转化过程中的催化剂微观催化反应机理及动力学开展研究，主要研究内容包括开发新型催化剂并对催化剂的微观催化机理进行解析，获得催化剂的不同形貌、不同晶面对催化性能的影响。具体内容包括：1.利用荧光单分子技术分析氢气电氧化过程中催化剂的稳定性，提出三种具有不同活性衰减过程的催化剂纳米粒子，指出稳定性变化类型包括活性快衰减、活性慢衰减以及先衰减后活化，并给出了三种稳定性的催化剂纳米粒子比例及衰减常数。2.针对Pd纳米立方体的不同晶面催化活性进行分析，获得了不同晶面催化氢氧化过程的动力学差异性。3.在单纳米粒子单分子层面对纳米金三角的催化活性动态变化进行分析，发现金三角表面存在两种位点即高活低稳定性位点与低活高稳定性位点。4.开发了一系列的性能超越商业铂催化剂的非贵金属氧还原催化剂，为氢能源的转化提供技术支持。