暴露高活性晶面CdxZn1-xS光催化剂的设计合成及制氢稳定性研究

This project focuses on the targeted synthesis of CdxZn1-xS solid solutions exposing highly active facets. Firstly, the influence of heteroatom modification induced surface polarization on the low-index facets is predicted through theoretical calculation based on the density functional theory. The calculation results are used to select structure-directing agents. Subsequently, controlled by the selected structure-directing agents, CdxZn1-xS solid solutions exposing different facets are synthesized through molten-salt method. In order to discuss the growth mechanism of CdxZn1-xS solid solutions exposing different facets, the morphology of the solid solutions is investigated via SEM and TEM methods. Furthermore, the surface structures of exposing facets are investigated through HRTEM, μ-Diffraction, EELS, HAADF and XEDS-mapping methods. Taking the photocatalytic hydrogen evolution performance of CdxZn1-xS photocatalyts exposing different facets into account, the relationship between exposing facets, photocatalytic selectivity and hydrogen evolution performance can be clarified. The result of the present project will provide theoretical and experimental assistance to the targeted synthesis of photocatalytic materials for hydrogen evolution from water splitting with efficient and long-standing performance.

本项目以设计合成暴露高活性晶面的CdxZn1-xS固溶体为目标，首先根据基于密度泛函理论的计算方法研究异原子诱导对低指数晶面表面极化的影响，合理筛选结构导向剂。然后在精选的结构导向剂作用下，通过熔盐法合成暴露不同晶面的CdxZn1-xS固溶体。采用SEM、TEM手段研究CdxZn1-xS固溶体的微观形貌，探讨暴露不同晶面固溶体的生长机制。采用HRTEM、μ-Diffraction、EELS、HAADF、XEDS-mapping手段研究暴露晶面的表面结构，结合光催化制氢性能测试结果建立CdxZn1-xS光催化材料暴露晶面-催化选择性-制氢性能关系模型，为设计合成高效、稳定的分解水制氢光催化材料提供理论与实验支持。

能源和环境问题是人类社会可持续发展的重要议题。利用清洁能源替代传统化石燃料，消除工业化生产对环境造成的负面影响是目前化学、材料、能源、环境等学科共同关注的科学问题。光催化技术利用太阳能驱动化学反应进行，可将分散的太阳能储存在化学燃料中，还能产生具有高氧化还原活性的自由基，从而去除水体中的难降解污染物。本项目通过理论计算方法研究了异原子修饰对光生载流子在光催化材料表面传输机制的影响。基于优化的光生载流子在光催化材料表面的传输路径，采用熔盐法、表面氮化及表面氢化法合成了一系列具有优异光催化活性的氧化物、硫化物光催化材料。研究表明，异原子修饰能够在光催化材料表面构筑表面能带间隙态、调控表面氧化还原反应活性点位电子轨道分布的离域程度，进而提升光生载流子的利用率，提高光催化反应的性能。本项目通过N修饰金红石二氧化钛(110)晶面，所获得的光催化材料在400nm处的光催化还原六价铬离子量子产率相比氮化的商品化二氧化钛材料提升16倍。此外，项目还通过像差矫正透射电子显微镜和谱学表征揭示了黑色氢化二氧化钛的高氧化还原反应性来源于表面导带轨道的离域分布。该项目研究结果有助于推动光催化分解水、去除水体中有毒高价金属离子等有实际应用价值的光化学反应实用化进程。