二维纳米薄片基异质结构的界面调控及光催化机理研究

Present, photocatalytic materials restrict by the low energy conversion efficiency due to narrow light adsorption ranges and recombination of electron-hole pairs, consequently interfering with the practical application in large scale. This project will focus on interfacial modulation and photocatalytic mechanism of two-dimensional nanosheet based heterostructures, combining with the high specific surface area as well as the unique physical, chemical and electronic properties, including: 1) rational design and preparation of two-dimensional nanosheets with different morphology, structure and defect concentration and their surface modification; 2) interfacial modulation of two-dimensional nanosheets and growth mechanism of other nanomaterials based on the two-dimensional nanosheets; 3) research on photocatalytic performance of heterostructures and synergetic mechanism of two components. This project would benefit to investigate impact of precisely modified two-dimensional nanosheets to the nucleation and growth mechanism of other nanomaterials, synergy of two components ratio, morphology, binding pattern in the heterostructures and the application mode in photocatalytic fields.

目前的光催化材料受到了吸光度范围较窄和载流子再复合等因素的影响，光能量转换效率较低，极大地限制了其在实际领域中大规模的应用。为此，本项目提出结合二维材料极大的比表面积和独特的理化、电子性能，开展二维纳米薄片基异质结构的界面调控和光催化机理研究。内容包括，1）设计合成不同形貌、结构、缺陷浓度的二维薄片及其精确改性；2）二维薄片基异质结构的界面调控和外延生长其他纳米材料的生长机理研究；3）二维纳米薄片基异质结构光催化性能研究和协同作用机理探索。通过上述研究，本项目有助于获得精确改性二维纳米薄片的反应参数，阐明精确改性后的二维纳米薄片作为基底调控其他纳米材料的生长机理，异质结构中组分、形貌、结合方式对光催化性能的作用机制以及获得实际应用领域的技术原型。

环境污染和能源短缺是目前限制人类社会可持续发展的两大重要因素，先进的环境治理手段和能源转换技术是解决这两大困难的有效途径，这也是现阶段国内外学者研究的重点。二维纳米薄片基光催化材料因具有极大的比表面积和独特的理化、电子性能而被广泛应用于光催化领域处理有机污染物和解决能源问题。但是，目前的光催化材料受到了吸光范围窄和载流子复合率高等因素的影响，光能量转换效率较低，极大地限制了其在实际领域中大规模的应用。本项目立足于二维纳米薄片基光催化材料，针对单一二维纳米材料存在的自身缺陷，设计合成了基于二维纳米薄片基光催化材料的多种纳米异质结构，并研究了异质结构的微观形貌、组分间的构-效关系对性能的影响。结果表明这些异质结构的构建，成功解决了二维纳米薄片的一些突出问题，获得了一些重要结果和关键数据。例如，水热法和热解法等手段获得的g-C3N4/Bi2O2CO3、多孔g-C3N4/SnS2和S掺杂g-C3N4/Sr2Ta2O7等二维g-C3N4基复合材料，显著促进了催化剂体系中光生载流子的分离。经过系统的研究，获得了异质结构中组分、形貌、结合方式对光催化性能的作用机制。又如，设计合成的具有2D/2D结构特征的WO3/ZnIn2S4复合材料，得益于高比表面积和匹配的能级结构等协同效应，极大地促进了光生载流子的分离。采用ESR方法研究发现，光催化机理遵循Z-scheme机制，为载流子提供了有效的转移途径，同时赋予复合材料较强的氧化还原能力。再如，设计合成的MnOx@CdS@GR复合材料，充分利用了空心球壳对光的多层反射作用增强了对光能的利用率，同时利用石墨烯提高了其导电性和比表面积，空间分离的MnOx和GR分别作为空穴和电子的收集体而显著促进电子-空穴的分离。通过对二维纳米薄片基异质结构的深入研究，项目对单一二维纳米薄片材料存在的一些问题提出了可行、有效的解决方案，为二维纳米薄片基材料的研究做出了一定的贡献，为其他相关科研工作者提供了一些思路，同时为解决能源问题及环境问题的困扰提供了一些途径。