基于原位转换法调控BiVO4/WO3光阳极交界面晶面取向及其晶面效应研究

The crystal facet effect of the semiconductor photocatalyst is crucial to understand photocatalytic mechanisms and prepare the high performance photocatalyst. However, there was little deep study about the crystal surface effect of heterojunction photocatalyst at present due to the difficult to control the crystal orientation in the heterojunction junction of two materials by the conventional preparation methods. So, this project will obtain the BiVO4/WO3 heterogeneous films with different crystal orientation in the interface based on the in-situ transformation principle(WO3→Bi2WO6→BiVO4) by selecting the various WO3 films with different dominant exposed crystal facets as the base material and changing the conditions of the in-situ transformation react. The control of crystal orientation in the interface will be realized by exploring the mechanism that how the dominant exposed crystal facets of WO3 and conditions of the in-situ transformation reaction affect the crystal orientation. Using the prepared BiVO4/WO3 films as photoanodes, it will be established to the relation between the crystal orientation and photoelectrocatalytic performance, and the crystal facet effect in the BiVO4/WO3 interface will be revealed. The separation and transport behavior of photon-generated carrier in the photoanode will be analyzed by using the photoelectrochemical/electrochemical analysis and density functional theory calculation, and the action mechanism of the crystal facet effect in the BiVO4/WO3 interface will be put forward. This works will provide a new technological approach and theoretical foundation to design and prepare the heterogeneous photocatalyst with high performance.

半导体光催化剂的晶面效应对揭示光催化机理和制备高性能光催化剂起到至关重要的作用。然而，由于传统的制备方法难以实现异质结交界处两种材料晶面取向的调控等原因，目前关于异质结型光催化剂的晶面效应尚缺乏深入研究。因此，本项目基于原位转换原理(WO3→Bi2WO6→BiVO4)，拟通过选择不同高暴露晶面的WO3薄膜为基材和改变原位转换条件，获得不同交界面晶面取向的BiVO4/WO3异质结薄膜，探究WO3暴露晶面和原位转换条件对交界面晶面取向的影响机制，实现交界面晶面取向的调控；以制备的薄膜为光阳极，建立交界面晶面取向与光电催化性能的关系，揭示BiVO4/WO3光阳极交界面的晶面效应；利用光/电化学分析和密度泛函理论计算，分析光生载流子在不同交界面晶面取向的光阳极中分离和输运行为，提出BiVO4/WO3光阳极交界面晶面效应的作用机理，为设计和制备高性能异质结光催化剂提供新的技术途径和理论依据。

目前关于异质结光催化材料的研究大多集中于研究异质结新材料的合成及其合成新方法，而关于异质结光催化材料的异质结结构特征对光催化性能的影响研究尚缺乏深入的研究。本项目发展了一种通用的原位转换的方法制备了异质结光阳极，并通过调控转换条件制备了多种交界面结构的异质结光阳极，建立了交界面晶面取向与光电化学性能的关系，采用光电化学分析和密度泛函理论计算，揭示了交界面晶面取向对光生电荷分离和传输的影响及其机制。具体取得了如下进展：1. 发展了一种通用的原位转换法，制备了不同纳米阵列的WO3/BiVO4异质结光阳极，系统研究了不同纳米阵列WO3/BiVO4异质结光阳极的光电化学性能，进一步通过控制转换的程度，制备了一种三维多孔BiVO4纳米片阵列光阳极。2. 采用原位转换法制备了交界面晶面取向一致的BiVO4/TiO2异质结光阳极，与交界面晶面取向随机的BiVO4/TiO2光阳极相比，原位法制备的光阳极具有显著提高的光电化学性能，证实了异质结交界面晶面取向对光生电荷的分离和传输有显著的影响。3. 通过改变原位转换过程中的硫源，实现了TiO2/CdS异质结交界面晶面取向可控制备，系统研究了交界面的晶面效应，揭示了交界面晶面取向对光生载流子分离和传输的影响。4. 通过将原位转换制备的TiO2/BiVO4异质结薄膜的BiVO4层溶解，实现了对TiO2纳米阵列薄膜的表面刻蚀，从而增加了高活性晶面（101）的暴露和诱导形成台阶边缘结构，其光电化学性能显著提高。本项目的意义在于掌握了制备不同交界面晶面取向的异质结光阳极的方法，加深了异质结交界面特征对光电化学性能影响的认识，揭示了异质结交界面晶面取向对光生电荷分离和传输的影响机制，为设计和制备高性能光催化剂材料提供新理论依据和技术。