基于介孔GaN:ZnO固溶体光催化材料的高效光还原CO2反应体系构建

光还原技术利用太阳能将二氧化碳转化为碳氢燃料，在解决环境与能源问题方面具有诱人的潜在应用。该反应可分为CO2在光催化材料表面吸附以及与光生电子-空穴反应转化两个基本过程。然而，在以往的研究中，尚未考虑光还原CO2反应两个基本过程影响因素的综合效应，因而，光还原CO2反应量子效率不高依然是阻碍该技术实用化的主要障碍之一。介孔材料具有较大的比表面积，可以提供更多的反应活性位和较强的气体吸附能力，因而在光还原CO2方面具有较大的应用潜力。本项目提出以"两步反应模板法"制备介孔GaN:ZnO固溶体光催化材料，以构建介孔微结构改善气体吸附性能，以能带调控方法改善其光吸收，以表面修饰改善光生电子-空穴分离效率和改善CO2反应活性，旨在构建出考虑高效太阳能利用、增强气体吸附能力、提高光生电子-空穴分离效率与降低反应活化能等因素综合效应的高效光还原CO2反应体系。

光催化还原二氧化碳制备碳氢燃料转化太阳能为易于存储、运输与使用的化学燃料，不仅可实现太阳能的有效利用而且可实现碳中和能源供给方式，因此是一种理想的清洁能源转化与利用途径。本项目围绕高效光催化还原二氧化碳反应体系构建展开研究，重点研究了光催化反应的影响因素、反应选择性、高效光催化材料。相关研究工作发表SCI论文20篇（IF>5的4篇），包括Adv Funct Mater 2篇，Chem. Communi. 2篇。获得国家发明专利1项。. 主要科学成果如下：. 一、构建出基于GaN:ZnO固溶体光催化材料，考虑半导体材料的光吸收、载流子迁移行为、气体吸附等多种因素综合效应的光还原反应体系. 本项目提出了考虑多种因素的高效光催化反应的设计原则，提出了改善光吸收、气体吸附、载流子迁移行为的有效方法，为设计高效光催化反应体系提供科学依据。. 二、提出以半导体空穴有效质量作为光催化材料性能评价的一个指标. 本项目以降低空穴有效质量、提高空穴迁移率为评价光催化产氧半反应性能的主要指标，为高效新材料探索提供了指导性参数。. 三、初步揭示了光催化还原CO2反应产物选择性的影响因素. 以单晶光催化材料为模型，揭示了光催化反应中影响产物选择性的CO2活化机制，为控制产物选择性提供指导。. 四、开发出新型可见光光催化材料. 以能带设计理论为指导开发出了固溶体、插层以及分子催化材料，丰富了光催化材料种类。. 项目研究成果被英国皇家学会出版的《Nanoscience: Nanostructures through Chemistry》 以及德国WILEY出版社出版的《Green carbon dioxide》等书籍引用。项目负责人获得江苏省2012年度科学技术一等奖（排名第五）以及2014年度国家自然科学二等奖（排名第五）。