设计和制备具有中空纳米结构的硫化物复合物光催化剂

本课题的研究目的是：设计和制备比表面积高，并能吸收所有可见光的硫化物复合物纳米结构，实现高效率太阳能制氢。廉价的半导体硫化镉具有相对窄的带隙能（2.4eV）和合适的能带结构，能够吸收波长小于516nm的可见光，所以在光催化产氢领域内具有重要的应用价值。但硫化镉不能吸收大量波长在516-800nm范围的可见光，且需要经一步提高其比表面积以增强其催化活性。因此，申请者提出：（1）设计硫化镉基的两组成硫化物复合物，以提高催化剂对整个可见光（400-800nm）的利用率；（2）设计硫化物复合物中空纳米结构，提高光催化剂比表面积，优化光激发电子的传输和反应，从而增强光催化剂的活性。申请者将同时探索硫化物复合物中空纳米结构的合成方法，采用热力学和动力学方法研究反应机理和调控方法，为其大规模制备和应用奠定理论基础。

随着人类对能源的需求不断增涨，煤、石油等化石能源的日趋减少，能源短缺问题已成为人类所面临的急需解决的主要问题之一。氢能是一种高效、洁净、可再生的替代能源。光催化制氢可以利用丰富的太阳能和水资源，而且不产生二次污染，因此被认为是氢能源制备和太阳能转化最理想的途径。目前研究的多数光催化剂只在紫外光范围内有响应。但是，紫外光只占太阳光总能量的4%，而可见光约占43%。因此，研究和开发可见光范围内具有高光催化活性和高稳定性的催化材料是提高太阳能利用率的最有效途径。. 在上述背景下，申请人提出设计和制备比表面积高、能吸收所有可见光的硫化物纳米结构，用于高效率太阳能制氢；通过对硫化物纳米结构结构和性能上的可调控制，从而实现利用整个可见光进行高效率催化产氢。为发展我国太阳光分解水的学科，解决我们所面临的能源短缺和环境污染等重大问题做出贡献。. 项目经过三年时间的实施，取得了突出的创新科研成果。(1) 申请人在深刻理解太阳能材料性质与其高性能应用要求之间关系的基础上，开发出国际先进的单分散纳米太阳能材料制备工艺，制备出系列尺寸、形貌、光性能等性质均一、可调的单分散半导体硫簇化合物纳米材料，实现从紫外光到可见光区的连续吸收。开发出廉价、低毒性的混合金属油酸盐前驱体来制备单分散多元硫簇化合物纳米颗粒。(2) 研制了由地球丰度元素组成的高质量、低成本新型太阳能材料Cu2FeSnS4，并对材料的相结构和能带结构进行精确调控，不但可用于设计高光催化活性和高稳定性的光催化材料，而且可实现在设计和制造高效纳米结构太阳能电池上的突破。(3) 在光催化方面，发展了两步光激发系统，构建了新型p(Si纳米线)-n(TiO2纳米管)型异质结光电化学电池，获得实现将CO2还原为碳氢化合物(CH4)及合成气成分(CO, H2)，显著提高了材料的稳定性，并拓宽了可见光谱的利用率，为新型光催化材料的研制与应用提供了新思路。(4).在器件设计及制备方面，采用地球丰度元素组成的Sb2S3为光吸收材料，以一维纳米线阵列为高速载流子传输导体，精密构筑了新型高效有机-无机杂化纳米结构太阳能电池，实现在分子-纳米-微米跨尺度上的微结构和界面优化，使载流子能够高效激发、分离和传输，获得Sb2S3材料最高的光电流，光电转换效率达到近5%。以一维TiO2纳米线，构筑了高效的太阳能电池器件，最高转化效率达到5.6 %..