催化剂晶面调控异质界面及光催化构效关系研究

Improving the separation of carriers is very important in semiconductor modification. As a photoelectric conversion semiconductor, heterojunction is usually structuring to improving the separation of carriers of photocatalyst. In the structuring heterojunction, energy band structures of composition of the semiconductors are only considered to extend the lifetime of carriers and separation ratio. The interface structure of heterojunction which is always ignored also have a great influence on the transmission of carriers. In this project, different crystal faces of BiVO4 are employed to structure heterojunction with MoS2. Through studying the interface structure of heterojunction by interfacial and microstructural characterization, and comparing the difference of photocatalytic activity, it is promising to improve an approach to regulate the interface of heterojunction by crystal faces. On this basis, detecting the transmission rule of carriers between heterojunction on different crystal faces of BiVO4 and the influence of different interface of heterojunction by high-resolution scattering mode Scanning Near-field Optical Microscope (SNOM) to build the photocatalytic structure-function relationship.

促进载流子分离是半导体改性的重要内容。对于光催化剂这种光电转换半导体，通常通过构建异质结的方法提高其光生载流子的分离效率。一般构建异质结时，只考虑了构成异质结的两种半导体的能带结构，通过其作用达到延长载流子寿命、提高其分离效率的目的。而异质结的界面结构对载流子传输的影响很大，常常被忽视。本项目提出用BiVO4的不同晶面与MoS2构建异质结，通过界面表征，微结构表征研究异质结界面结构的变化，比较其光催化性能的差异，找到一套用催化剂晶面调控异质结的方法。在此基础上，结合先进的高分辨散射型近场光学显微镜技术探测BiVO4不同晶面形成异质结中载流子的输运规律，揭示不同异质结界面对其影响，在此基础上构建与光催化的构效关系。

现有的光催化主要思路是通过贵金属或半导体复合形成异质结，通过光催化剂与复合物之间的能带协同作用引导光生载流子在异质结之间传输，从而达到延长光生载流子传输距离和寿命，降低其复合率的目的。在这种方法中，主要考虑的是构成异质结的两种半导体的能带结构是否匹配，从而能达到引导分离光生载流子的目的。然而光生载流子能否在异质结之间传输，除了能带结构外，异质结的结构也很重要，因为异质结实际上是在两种晶体表面形成的界面，不同晶面形成的界面微结构和电学性质会不一样，对载流子传输的影响很大。本项目旨在研究催化剂的不同晶面构建异质结，通过微结构表征、光谱分析，研究异质结界面结构与能带结构的变化，比较其光催化性能的差异，找到一套用催化剂晶面调控异质界面的方法。主要研究内容有：.1．研究了TiO2不同晶面与ZnS纳米片复合构建异质结以及光催化构效关系，构建了一种构成n−p−n双异质结。.2．用不同晶面暴露TiO2复合SnS2纳米片以进一步验证n-p-n双异质结机制。.3．研究了用{101}和{001}面暴露锐钛矿TiO2纳米片来n−p−n双异质结时，晶面比例对异质结效率的影响。结果发现用{101}和{001}面暴露锐钛矿TiO2纳米片复合MoS2时，{101}与{001}面之间不同的暴露比例对n−p−n双异质结的效率影响很大，在{101}面与{001}面暴露比例为1:2时，n−p−n双异质结达到一个最大的分离效率。.4．系统研究了锐钛矿TiO2不同晶面分别与二维材料MoS2，WS2复合构建异质结的规律。证实晶面异质结的效率不光与晶面有关，也与两种半导体的能带结构匹配性有关。.5．进一步研究了曲面暴露的锐钛矿TiO2复合MoS2，发现曲面暴露的锐钛矿TiO2与MoS2构建的异质结复合物同样能有效提高光催化活性。.本项目系统研究了TiO2不同晶面构建异质结与光催化构效的关系，建立了一套异质结晶面与能带匹配的理论，揭示了不同异质结的载流子传输特性。