深价带半导体氧化物高效可见光催化材料的研究

The proposed research project will develop deep-valence-band semiconductor oxides to be efficient photoctalysts by doping a metal ion as an oxidant into the semiconductor oxides to form homogenous solid solutions. With proper selection of the doped metal ion with respect to its oxidation state and redox potential, it is possible to promote an electron from an occupied level of the semiconductor valence band to the doped metal ion upon visible light irradiation, occurring band-to-oxidant charge transfer. After trapping the photo-induced electron, the doped metal ion would reduce the adsorbed oxygen through multi-electron reduction process, allowing the photo-induced hole left on the valence band to effectively oxidize organic pollutants. Meanwhile, we will reveal the physical chemistry's nature of the above photocatalyst and noble metal (Pt, Au)-loaded semiconductors with deep valence band such as WO3 and Bi2O3 according to various characterization results.

本项目拟通过掺杂氧化态金属离子进入深价带半导体氧化物形成均相固溶体，发展深价带半导体高效可见光催化材料。按照化合价和氧化还原电势选择合适的掺杂金属离子，可使半导体氧化物固溶体在可见光照射下发生电子从价带至掺杂金属离子间的跃迁（band to oxidant charge transfer，简称：BOCT）。掺杂金属离子俘获受可见光激发的价带电子生成还原态金属离子，并通过多电子还原过程还原吸附氧，恢复到氧化状态，确保半导体深价带上空穴氧化有机污染物的能力。同时，项目还将利用物理化学方法详细研究和揭示这种（BOCT）深价带半导体高效可见光催化材料以及贵金属（如Pt、Au）表面修饰深价带氧化物半导体（如WO3、Bi2O3等）的可见光催化材料的催化物理化学本质。

本项目的研究目标在于利用深价带窄带半导体如三氧化二铋其价带上空穴强氧化能力，将这些深价带半导体发展成为有效的可见光催化材料用于降解有机污染物。项目通过光引入界面间电荷转移(IFCT)、氟化作用、表面贵金属负载以及表面活性剂修饰等方法，成功的将深价带窄带半导体如三氧化二铋和三氧化钨发展成为用于降解有机污染物的可见光催化材料，并研究和揭示了这些光催化体系的光生电荷产生、分离、转移和俘获等物理化学本质。这些工作对发展深价带窄带半导体为有效可见光催化材料提供了重要的理论依据和实验方法。同时，我们还针对Au/TiO2体系， Au颗粒负载TiO2不同晶面与光催化活性的关系，为设计高效光催化Au/TiO2体系提供了重要的科学依据。