压电-光催化耦合催化作用机理的研究

Photocatalytic technology has exhibited enticing prospect in environment and energy fields, but the low photocatalytic efficiency limits its practical application. One of the efficient solutions to this problem is to impose bias voltage directly on photocatalyst, which would drive photo-generated carriers separated from each other. Piezoelectric materials can generate such voltage themselves by converting mechanical energy. Hence, it is promising to improve the photocatalytic efficiency if photocatalysis is coupled with piezoelectricity in a micro reaction system in which the in-situ bias voltage caused by piezoelectric effect could be used to promote the separation and transference of photo-generated charge carriers. So far, research concerning in this issue is still scarce, especially in the rational construction of the systems and in-depth revelation of the interaction mechanism. In this application, targeting on the above issue, ZnS, CdS and MoS2, etc. which possess the piezoelectric or photocatalytic properties, are employed as unit material to construct the piezoelectricity–photocatalysis composite energy-converting systems. A series of characterization methods including electrochemical method, Uv-Vis diffused reflection spectra, X-ray photoelectron spectroscopy and so on, are applied to examine the generation, transfer and separation of the photo-generated charge carriers under the influences of sound and light field separately or together, aiming to disclose the interaction mechanism of piezoelectric-photocatalytic synergic system. Furthermore, the CO2 reduction and water-splitting reaction are utilized to investigate the key factors of this system. The developments of this research are anticipated to answer the basic scientific question about whether the piezoelectric effect would improve the separation of photo-generated charge carriers, and to provide new ideas on the design of materials or systems for dual energy (e.g. noise and sunlight) conversion.

光催化技术在环境与能源领域已显示出诱人前景，但其低效率却成了瓶颈。解决途径之一是施加偏压以提供光生载流子的分离驱动力，而压电材料可以将机械能转换成电能。如果将压电-光催化结合在一个微反应体系中，有望利用压电单元产生的电势原位驱动光生载流子的迁移与分离，以提高光催化效率。目前这方面体系构建与作用机理的研究报道还极少。本课题拟针对上述问题，以具有压电或光催化性质的ZnS、CdS和MoS2等作为构筑压电-光催化复合体系的单元材料，通过电化学、漫反射光谱和光电子能谱等手段分析声、光分别或共同作用下光生载流子产生、迁移和分离的变化，揭示压电-光催化耦合作用机理，并采用声、光还原CO2和裂解水产氢的方式探究该耦合作用的影响因素。本课题的开展，有望回答压电单元是否促进光催化过程中光生载流子分离这个基本科学问题，同时又为双能（如声能和太阳光）的化学能转换材料设计提供新思路。

本项目研究了同时具有压电和光激发性质的复合半导体材料的合成方法，评价了不同组成、外观形貌和微观结构的产物对光催化CO2还原或光催化裂解水制氢活性的影响，同时还探索了压电效应与光催化作用的耦合作用机制。.本项目取得了以下主要成果：. 在材料制备方面，我们制备了六种同时具有压电和光激发性质的复合半导体材料，这为保证本项目的深入研究奠定了材料基础。. 在研究手段方面，建立了可单独或联合施加压力与光照的全套实验与分析装置。该项目的特色成果之一是利用原子力显微镜表征了微区压电畴的存在及其变化特性。. 在光声耦合机理方面，研究了同时具有压电与光催化性能的ZnO和CdS两者的外观形貌、微观结构和压电-光催化活性之间的关系。分别提出了上述两材料的压电-光催化耦合机理。本项目有特色的成果包括一维纳米棒压电场对光生载流子迁移的影响和表面的局部光生电子密度提升作用机理。其次，为了突破一元材料的局限性，设计并合成了BaTiO3/CdS和PbTiO3/CdS复合材料，并阐明了BaTiO3-CdS复合材料利用自身的极化电场提升光生载流子分离性能的原理。该复合材料产氢能力比CdS提高88倍。另外，通过Au或Cl负载ZnO纳米棒表面的方式，构建了一种同时提升表面与体相光生载流子分离效率的体系，此进一步提升了压电-光催化耦合效应。并通过多种手段证明了该体系中Au与ZnO界面形成的肖特基势垒抑制了光生载流子在ZnO表面的复合，从而实现光生载流子在体相与表面的同时分离。. 在研究成果方面，在国外专业期刊上发表标注该基金号的学术论文22篇，4人应邀在全国性光催化会议上做口头报告。另外，在研期间利用本项目研究成果还申请了5项发明专利。. 在培养研究生方面，本基金资助培养了研究生9名（5名博士，4名硕士）。. 总之，通过本项目的研究，为制备实用、高效的光催化剂提供了新思路。同时，本研究成果对认识压电-光催化材料的组成-结构-性能之间的关系也具有一定的理论与实际价值。