贵金属/半导体复合光催化材料的元激发对光吸收增强和载流子分离的作用

The semiconductor-based photocatalysis shows great prospect in solving energy and environmental issues, but the low solar energy utilization and quantum efficiency of semiconductor photocatalytic materials are still the key issues limiting their applications. The quantum efficiency of the usual methods of expanding light absorption by band structure engineering is not satisfactory, and only expanding to the visible light region. The present project intends to study the effects of surface plasmon resonance of noble metals in expanding and enhancing light absorption and charge transfer, and to explore the composite features, energy transfer mechanism and the separation and transfer process of photon-generated carriers in the interface between metal and semiconductor. In addition, we are going to investigate the possibility of utilizing the surface plasmon resonance of noble metals to realize the infrared photocatalysis of metal/semiconductor composites along with the underlying photocatalytic mechanism, expecting to further expand the solar energy utilization. Based on this project, we are trying to reveal the mechanism of surface plasmon resonance in extending and enhancing light absorption and improving quantum efficiency and the intrinsic relationship between the physicochemical properties of individual components, interface structures and electronic structures and photocatalytic performance of metal/semiconductor composites, furthermore, to develop their infrared light photocatalysis, ultimately to enrich the related theory and methods in the development and application of high-efficiency photocatalytic materials and to promote the development of related disciplines.

半导体光催化技术在解决能源和环境问题方面有广阔的应用前景，但半导体光催化材料的太阳能利用率和量子效率低仍是限制其应用的关键问题。以往拓展光吸收的能带调控方法量子效率不理想，且通常只拓展到可见光区域。本项目拟理论结合实验，研究贵金属等离共振效应在拓展和增强光吸收以及电子转移方面的作用，探讨金属与半导体之间的界面复合机理、能量转移及光生载流子分离和转移过程。同时探索等离共振效应在拓展金属/半导体复合体系红外光光催化方面的可能性及其作用机理，以进一步拓展太阳能利用率。通过本项目的研究，揭示金属/半导体复合光催化材料体系中表面等离共振在拓展和增强体系光吸收以及提高量子效率中的作用规律，以及各组分物理化学性质、界面结构和电子结构与光催化性能的内在关系;并开发其红外光催化性能。为高效光催化材料的开发和应用丰富相关理论和方法，促进相关学科的发展。

贵金属/半导体复合材料是重要的半导体光催化体系，表面等离子体光催化是近些年光催化领域研究的热点之一。开发新型光催化材料改善光催化性能的研究是光催化领域的研究重点之一。项目（1）从Ag/AgX(X=Cl,Br,I)和贵金属/TiO2体系出发，开展了一系列系统的表面等离体光催化效应及其机理的研究，包括界面作用机制，能量转移机制，吸收拓展与增强机制及其规律等。系列研究受邀为Nature旗下期刊Light: Science & Applications light（影响因子14.098）撰写并发表了以"Energy transfer in plasmonic photocatalytic composites"为题的综述文章，入选ESI高被引论文。（2）开展了新型二维复合结构体系的光催化性质及其新效应和机理的研究。设计和提出了硫族化合物、无机非金属类DNA螺旋纳米分子链等几种具有光催化分解水应用价值的潜在新型材料体系。（3）理论结合实验揭示了不同金属配位离子间电子转移、内建电场与材料的光催化性能之间的关系及其作用机理和规律。期间分别受邀为中文期刊《物理化学学报》和《中国光学》撰写了综述文章。项目的研究成果对于深入理解复合半导体材料的光催化性能、开发新型高效光催化材料及其应用具有重要的理论和实验指导意义。项目期间，在Light: Science & Applications，Applied Catalysis B: Environmental ，J. Mater. Chem.（A,C） ，Angew. Chem Int. Ed，J Phys Chem Letter等国际期刊共发表基金标注论文69篇，其中影响因子大于5的41篇，大于9的18篇。为2016年出版的《中国学科发展战略-理论与计算化学》一书撰写了总结性论文"光催化反应及相关理论与计算研究"部分。出版"二维纳米结构"译书一本。课题组多人次参加国内国际会议和交流。参与组织国际会议1次（项目主持人为大会合作主席），组织承办第十五届全国太阳能光化学与光催化会议（项目主持人为组委会副主席），作为国际会议分会召集人1次。期间毕业博士生5人，硕士生4人，在读博士6人，在读硕士12人。其中，获山东省优秀博士论文2篇。2人次获山东省研究生优秀科技创新一等奖，1人次获三等奖。十余人次获得国家奖学金。获得省部级自然科学二等奖3项