以可分散Ta2O5为载体构建多元异质结构复合催化剂用于光解水制氢研究

开发高活性和高稳定性的光催化剂对发展光催化分解水制氢技术具有十分重要的意义。针对目前光解水反应中普遍存在的催化剂要么量子效率较低、要么稳定性较差的问题，考虑到异质结能有效分离光生电子与空穴、提高催化剂的采光和传质效率，本项目拟可控制备可分散的Ta2O5为载体，与MxOy(M = In, Bi和Cu)或NxSy（N = Cd, Bi或Pb）复合来构建光解水制氢用多元异质结复合催化剂材料。研究耦合半导体间异质结的制备技术与形成机理、和以可分散的Ta2O5纳米粒子为载体的异质结构复合催化剂在紫外光或可见光下的光解水性能，探究载体的分散性、粒子尺寸以及耦合半导体间异质结的化学组成、结面积和微观构型等对光谱响应范围、光致电荷分离和光生载流子迁移、以及光解水制氢性能的影响机理和规律。本项目研究成果对制备稳定性好，光谱响应范围宽的环境友好型光解水材料和发展太阳能制氢技术有重要促进作用。

太阳能光解水制氢技术被认为是解决能源危机与环境问题最为理想的方式之一。本项目针对光催化制氢过程中面临的量子产率低，催化剂稳定性差的问题，分别从材料的微纳结构设计、光生电荷的分离与迁移以及材料稳定性提高等方面入手，围绕具有较高导带位置的宽禁带半导体Ta2O5的异质结构建开展了相关的研究工作。首先，采用不同合成方法，设计并制备了具有不同表面物理化学性质Ta2O5载体，如可分散的多孔Ta2O5亚微米球，多孔纳米纤维和由单晶纳米棒组成的多级结构，并揭示了其结构形成机理；以In2O3/Ta2O5异质结为例，采用不同的异质结构建方式，分别获得了无定形介孔结构In2O3/Ta2O5和以可分散的多孔Ta2O5亚微米球为载体的表面分散In2O3/Ta2O5异质结，详细探讨了异质结的结面积、比表面积和结晶度等对电荷分离与光催化产氢性能的影响，同时发现由于In2O3与Ta2O5之间较小的界面电位梯度，导致该复合体系通过负载Pt才会表现出较高的催化活性；而对q-CdS/Ta2O5的研究发现量子尺寸效应可以增大异质结的界面电位梯度，使其在无助催化剂存在的条件下即可表现出优异的光催化产氢性能，而且介孔CdS/Ta2O5的结晶度还可以通过硅烷保护方式获得提高，从而进一步提高其催化产氢性能；对于半导体-半导体（S-S）与难溶物-半导体（IC-S）异质结来说，其界面电位梯度分别可以通过改变半导体的晶粒尺寸和难溶物的Ksp进行调控，从而实现异质结复合材料产氢性能的进一步提高；异质结的界面结构是影响其界面电荷迁移的又一个重要因素，基于动力学控制原理，开发了一种适合前驱体水解过快的半导体异质结制备的刻蚀-生长同步技术，以多孔Ta2O5纳米纤维为载体，分别构筑了晶格匹配的，界面缺陷少的纤维状Ta3N5/Ta2O5与NaTaO3/Ta2O5异质结光催化产氢材料，并提出了其结构控制原理，考察了界面结构对其电荷分离与迁移和产氢性能的影响；同时，针对特殊的异质结——双面神粒子，我们还提出了非对称塌缩形成非对称形貌碗状双面神粒子的形貌控制机制以及一种适合于不同化学组成和不同结构形貌的双面神或补丁粒子制备的耦合场静电喷雾制备技术。综上，本项目的研究成果不仅对制备稳定性好，光谱响应范围宽的环境友好型的光解水材料和发展太阳能制氢技术有重要促进作用，还为开发具有高效能量转化效率和载流子利用效率的异质结奠定了基础。