多级结构Cu2O@LDS纳米棒阵列光电化学水解制氢的微观机理研究

This research aims at solving the current special challenges of Cuprous oxide (Cu2O) as an efficient and durable photocathode for water splitting, such as narrow carrier diffusion length and poor photostability. We will design and synthesize a novel type of hierarchical nanostructured Cu2O@layered bimetallic sulfides or selenides (Cu2O@LDS) nanorod arrays with prominent photoeletrochemcial (PEC) performance. These hierarchical nanostructured Cu2O@LDS nanorod arrays can achieve the directional transfer and efficient separation of the photogenerated carriers, and improve the photoconversion efficiency and photocorrosion resistance of Cu2O nanorod arrays. In combination with other conventional measurement and analysis methods, the in-situ X-ray absorption fine structure (XAFS) spectra and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique will be used to systematically investigate the atomic and electronic structures of the central surface states and the carrier transfer path in the process of PEC water splitting on the hierarchical nanostructured Cu2O@LDS nanorod array photocathodes. By means of the first-principles calculations, the decomposition steps of water on the photocathode surface will be explored and the solar water splitting mechanism will be deeply investigated. The obtained results will provide some experimental and theoretical basis for further optimization design of electrode materials and controllable preparation of high-performance transition metal based photoelectrodes.

本项目针对氧化亚铜(Cu2O)光电极材料载流子迁移距离短、光稳定性差的关键难题，利用层状双金属硫化物或硒化物LDS修饰Cu2O纳米棒阵列实现光生载流子的定向转移和高效分离，提高Cu2O纳米棒阵列的光量子转换效率及耐光化学腐蚀性。利用原位X射线吸收精细结构谱(XAFS)和电化学阻抗谱(EIS)对多级结构Cu2O@LDS纳米棒阵列在光解水过程中表面态中心原子和电子结构的变化进行在线测量和监控，结合第一性原理理论计算光生载流子在多级结构Cu2O@LDS纳米棒阵列界面的迁移路径，深入探讨其光电化学水分解反应过程中的载流子转移机制和水分解反应的微观过程机理，为进一步优化设计和可控制备高性能的过渡金属元素基太阳能转化光电极材料提供实验和理论基础。

多级结构纳米材料在调制界面电荷迁移方面具有重要的应用前景。本项目以调控界面载流子迁移为研究目标，采用水热法、电化学沉积法、离子交换法等不同的方法合成了层状双金属硫化物或硒化物LDS的多级纳米结构阵列。利用原位X射线吸收精细结构谱(XAFS)和电化学阻抗谱(EIS) 对多级结构LDS纳米阵列在光解水过程中表面态中心原子和电子结构的变化进行在线测量和监控，结合第一性原理理论模拟光生载流子在多级结构LDS纳米阵列界面的迁移路径。结果表明多级结构LDS纳米阵列加快了界面电荷的转移速率，促进了表面反应动力学过程。以此为基础，发展了一系列具有高活性、高稳定性的多级结构LDS纳米阵列的合成方法，在太阳能转化与利用方面具有重要的应用前景。项目在执行期间取得了阶段性的研究进展：截止目前，共在Applied Catalysis B: Environmental, Science China Materials, Journal of Materials Chemistry A, ACS applied Materials & Interfaces等国际核心期刊发表相关SCI收录论文32篇，其中影响因子高于5的论文24篇，JCR一区论文12篇，授权发明专利2项。依托项目研究成果项目主持人获得国家自然科学基金的后续资助，入选安徽省第十一批学术技术带头人后备人选，获高校学科（专业）拔尖人才学术资助，获安徽省自然科学三等奖（排名第一）。在依托项目研究成果辅助教育教学方面也取得了显著的成绩，获安徽省教学成果二等奖一项、三等奖一项，获安徽大学最高教育教学成果奖“李世雄”奖等荣誉。