一维缺陷模光子晶体结构的CTS/TiO2同轴异质结阵列膜光催化器件的设计、制备及性能增强机理研究

In this research project, an idea of designing device structural film photocatalyst has been presented. On the basis of theoretical design and numerical simulation results, film photocatalytic devices of one-dimensional defective photonic crystals structured CTS/TiO2 coaxial p-n heterojunction arrays would be controllablly fabricated on transparent substrates by programmable anodic oxidation together with liquid phase self-assembly technics in experiment. The project aims not only to utilizing the strong resonance absorption induced by matching the enhancement of photon localization from defect mode in photonic crystal with absorption peak of CTS, but also to using the electric field at interfaces of heterojunction arrays to drive the high effective seperation of electron-hole pairs, and thus to further promote photocatalytic quantum efficiency. Such structure design has the following advantages: 1) Easy to implement the integrated parallel control for both photons and photo-generated carriers; 2) The expansion of the hollow surface area along the axis in heterojunction arrays can significantly increase the active sites for photocatalytic redox reaction; 3) Both the selection and optimization of the structural parameters have high flexibility, and the preparation technology has better controllability; 4) Such simple photonic crystal heterojunction structure is easy to modeling analysis and theoretical research, and thus to deeply understand the intrinsic mechanism of energy conversion in photocatalytic process. In short, the approval of this project would provide a new strategy to explore high efficiency film photocatalysts estabished on new structure and new principle, having important scientific significance and practical values.

该项目提出薄膜光催化剂器件结构的设计思想，基于理论设计与数值模拟结果，探索用程控阳极氧化及液相自组装工艺，在透明基底上可控制备一维缺陷模光子晶体结构的CTS/TiO2同轴p-n异质结阵列薄膜光催化剂器件。旨在使该结构既能利用光子晶体缺陷模的光子局域增强与CTS吸收峰匹配后的共振强吸收，又能利用异质结阵列内建电场驱动的光生载流子大面积高效分离，进而提高其光催化量子效率。该结构设计的优点：（1）可实现对光子和光生载流子行为的并行操控集成；（2）同轴异质结中空表面积沿轴向的延拓，可大幅增加光催化氧化-还原反应界面的活性吸附位点；（3）结构参数的选择与优化灵活性高，制备工艺可控性好；（4）结构简单，易于建模分析与理论研究，且益于探究光催化反应过程各环节能量转换的内禀机理。总之，该课题的立项，可为探索建立在新结构与新原理基础上的高效薄膜光催化剂提供一种新途径，具有重要的科学意义和可借鉴的实用价值。

本项目提出了基于一维缺陷模光子晶体结构CTS/TiO2同轴异质结阵列膜的器件化光催化剂设计思想，旨在构筑兼具入射光子与光生载流子行为并行操控效能的光催化器件，进而在光催化等领域开展系列应用基础研究。项目执行期间（2019.01-2022.12），主要开展了四个方面的研究工作：1）理论上采用时域有限差分法自主编写了适用于缺陷模光子晶体结构同轴异质结阵列膜物理结构设计、参数优化与性能分析的数值模拟程序，可为后续实验研究提供初始数据群；2）采用电化学程控周期性脉冲电压阳极氧化工艺，实验制备出了高品质一维缺陷态光子晶体结构的TiO2纳米管阵列膜，实现了对光子带隙及缺陷模中心频率位置在可见-近红外波段的精确调控，并获得了缺陷模光子晶体周期单元几何结构参数与光子带隙结构及缺陷模性质间的调制规律；3）成功构筑了缺陷模光子晶体结构的CTS/TiO2同轴异质结阵列光催化器件，通过脉冲电压波形参数调节使光子带隙及缺陷模频率位置与CTS吸收边或被降解物吸收峰匹配，实现了对入射光子和光生载流子行为的并行操控，获得了较高效率的光催化降解与产氢、光致发光增强、表面拉曼散射增强等应用，并系统探究了性能增强内禀机理；4）在完成项目预期研究目标的基础上，拓展研究了Al2O3光子晶体结构及系列基于TiO2、CTS组分基材和相关新材料（如Cu2ZnSnS4、BiOBr、BiVO4、BiFeO3、ZnFe2O4等）的新型异质结设计制备、微结构调控、光电特性探究及它们在光催化、光伏转换和忆阻器件等领域的应用与性能增强机理。. 项目执行期间共发表SCI学术论文26篇（一区6篇，二区13篇），申请国家发明专利3项（已受理2项），会议论文8篇，硕士学位论文10部（甘肃省优秀硕士论文1部），培养青年教师4人，硕博士研究生17名。综上，我们较高质量地完成了本项目的研究任务，达到了预期研究目标，研究成果可为进一步研发高效率、长寿命的光催化及光电转换器件提供翔实的科学依据和重要参考价值。