g-C3N4/磷酸盐杂化体系的微结构调控及光生载流子迁移性质研究

Modified surface of semiconductor photocatalytic materials with big π-conjugated polymer is a new topic in the field of photocatalysis science. Therefore, the research on the microstructure modulation and hybrid interaction mechanism to enhance activity and energy efficiency of semiconductor photocatalytic materials has significantly academic value. The present proposal will focus on constructing the g-C3N4/phosphate heterojunction hybrid system with particular electronic structure to fully utilize the feature of the high activity of phosphate, and the strong adsorption and big surface ratio of the layered polymeric semiconductor material g-C3N4. Firstly, the interface&surface physical models are established to study the effect of the interface lattice match and interface hybridization on energy band structure and optical properties by first-principles calculations. Meantime, we will develop unique advantage of chemical adsorption method on constructing the g-C3N4/phosphate heterojunction hybrid system to modulate crystallinity, morphology, interface structure. Lastly, combining experimental and theoretical studies, the intrinsic rule is revealed for the effect of interface hybridization on photoinduced carrier separation and transfer. By exploring interface microstructure modulation and hybrid interaction mechanism, not only the rule is revealed from the effect of hybrid interaction of big π-conjugated polymer g-C3N4 on the photocatalytic activity of phosphate, but also the approach is exploited for designing new hybrid photocatalytic materials with high activity and energy efficiency.

采用共轭大π键聚合物修饰半导体光催化材料的表面是当前光催化科学研究的新热点。研究其界面微结构调控及杂化作用机理对进一步提高该类光催化材料的活性及能效具有重要的学术价值。本项目将挖掘磷酸盐光催化活性高和层状聚合物g-C3N4比表面积大、吸附能力强的特点，构筑具有独特电子结构的g-C3N4/磷酸盐异质结杂化体系。首先建立界面/表面微结构物理模型，开展晶格匹配和界面杂化等对g-C3N4/磷酸盐异质结的能带结构和光学性质影响的理论研究；同时充分发挥化学吸附法在构建界面微结构的独特优势，对其结晶性、形貌及界面结构等进行微结构调控；最后结合实验与理论研究，揭示界面杂化作用对光生载流子分离和转移影响的内在规律。通过界面微结构调控及杂化作用机理的研究，不仅可以揭示共轭大π键材料g-C3N4的杂化作用对磷酸盐光催化活性影响的内在规律，而且为设计新型高活性和高能效的杂化光催化材料提供了研究思路。

采用共轭大π键聚合物修饰半导体光催化材料的表面是当前光催化科学研究的新热点，基于能带工程发展高活性和高能效的低维光催化纳米材料是光催化科学研究中的重要方向之一。我们构筑了具有极化现象的二维非对称纳米结构，实现了能带结构的有效调制，探讨了界面微结构调控及杂化作用机理，这对进一步提高其光催化活性及能效具有重要的学术价值。一方面我们充分挖掘磷酸盐光催化活性高和层状聚合物g-C3N4比表面积大、吸附能力强的特点，构筑出了具有独特电子结构的g-C3N4/磷酸盐异质结杂化体系。另一方面，我们从特定二维极性晶面的半导体入手，构建了石墨烯基的纳米异质结，实现了氧化石墨烯对BiVO4和MoS2等纳米片层表面的修饰，分析了纳米结构表面间(层间)的原子几何和电荷空间分布，探讨了非对称结构对其光电性能影响的规律，借助界面诱导效应产生的极化现象实现了能带结构的调控。总体来说，本项目将理论材料设计与实验研究相结合，建立了界面/表面微结构物理模型，开展了晶面分子吸附、界面杂化作用等对异质结的能带结构和光学性质影响的系统性研究，确定了光生电荷迁移的规律。获得的研究结果主要包括：1) BiPO4和Ag3PO4光催化活性的起源及表面原子几何及弛豫结构; 2) 碱金属修饰g-C3N4的能带结构调控与载流子迁移过程研究；3）界面耦合作用提高BiPO4/g-C3N4异质结光催化活性的物理化学机制；4）提高BiPO4/BiOI可见光矿化能力和光催化活性；5）提高光催化性能三元化合物CdS/Au/g-C3N4的制备方法及其微结构表征；6）探讨g-C3N4/graphene异质结π-π堆叠的调制方法以及石墨烯对其光催化活性的影响；7）BiVO4/Graphene界面结构的稳定性及光生载流子迁移过程影响研究；8）二硫化钼/石墨烯及其氧原子对异质结的界面结合作用和带边电位影响的研究；9) 其他。总而言之，异质结内的电荷非平衡分布是形成内建电场的主要原因，这将有利于光生载流子的迁移和电位的调制。通过对界面微结构调控及杂化作用机理的系统性研究，为成功获得更高活性和更高能效的杂化异质结光催化材料提供了坚实的科学基础。