钨基氧化物纳米管材料的可控制备及光解水催化性能研究

针对光解水制氢反应系统中产氢与产氧反应不匹配，产氧量不足产氢量1/2的问题，拟通过组成调变、晶相控制、氧缺位最优化，对ABO3型钨基氧化物光催化材料的能带结构进行调控，拓展其对可见光响应；通过形成纳米管织构，促进光生电子-空穴高效分离，提高光解水产氧光量子效率。项目将采用热化学分析方法、光电化学扫描探针实时观测、x射线衍射分析、HRTEM形貌分析等手段，结合第一性原理计算和结晶行为动力学模拟，以三氧化钨为基础物质，研究ABO3型钨基氧化物组成、结构与光电催化性能的关系；晶相和纳米管形貌形成机理与演变规律；氧缺位定量控制的热力学方法，建立钨基氧化物组成、晶相、费米能级与光电极电势的半定量关系; 建立氧缺位与制备体系中相关平衡组分浓度的定量关系；阐明制备条件-纳米管前驱物结构-钨基氧化物纳米管形貌及光电催化性能的映射关系，提出ABO3型钨基氧化物纳米管薄膜材料结构设计和可控制备的原理和方法。

针对光解水制氢反应系统中产氢与产氧反应不匹配，产氧量不足产氢量1/2的问题，通过组成调变、晶相控制、氧缺位最优化，对钨基氧化物光催化材料的能带结构进行了调控，显著拓展其对可见光响应；通过形成纳米膜织构，促进光生电子-空穴高效分离，显著提高了光解水产氧光量子效率，研究成果对建立太阳能光解水制氢系统具有重要科学意义。主要研究成果包括：（1）钨基氧化物氧空位控制热力学方法、氧缺位对氧化钨光解水产氧气催化性能影响的规律，根据同时平衡原理，设计了蛇形管型水蒸气饱和器，建立了定量控制混合气体（如H2O/H2）氧化学势的实验方法。（2）系统研究了稀土元素和一些非金属元素掺杂对氧化钨组成、结构、光催化性能影响的规律。研究发现，产生降低钨的价态、形成氧缺位以及在导带与价带之间构建中间能级、降低价带能级是提高氧化钨光解水产氧的关键。（3）研究了温度、压强、介质、结晶底衬对钨基氧化物结晶动行为影响的规律，发现衬底、水热合成中间产物六方相聚合钨酸、某些有机添加剂对氧化钨形貌的导向作用，提出衬底导向水热法，无需预制籽晶层在FTO导电玻璃制备了光吸收率高、定向电子传导的纳米有序结构氧化钨光阳极膜材料，阐明了无籽晶层氧化钨纳米片阵列的生长机制；首次报道了磁控溅射-水热法制备纳米有序结构氧化钨光阳极的方法，获得的氧化钨膜材料在340 nm的光照条件下IPCE达到95%以上。 （4） 根据材料结构与性能的关系，设计了Fe2O3-WO3，WNiO4-WO3，CdS QDs/TiO2/WO3, 石墨烯等复合结构的纳米薄膜光阳极材料，组装了光电化学电池，可实现光电作用下水光解产氢气和氧气的量的比达到2:1。（5）在International Journal of Hydrogen Energy，Electrochimica Acta，Journal of Materials Chemistry等国际期刊发表论文8篇；国内期刊发表论文5篇；申请专利2项； 毕业博士研究生1人、硕士研究生9人。