生物矿化合成立方-六方ZnIn2S4异相结可见光光催化剂及其电荷转移机理研究

Development of novel efficient visible-light responsive photocatalysts that can utilize solar energy directly is essential for large-scale application of photocatalytic technology. And efficiently promote charge separation is a dominant factor for improving the photocatalytic activity. Fabrication of proper phase junctions in semiconductors has been demonstrated to be an effective strategy for promoting charge separation. Based on the previously studies about synthesis and photocatalytic mechanism of ZnIn2S4, this proposal will study on ZnIn2S4 photocatalyst with cubic-hexagonal phase junction derived from biomineralization. The influences of biomineralization process on formation of ZnIn2S4 with cubic-hexagonal phase junction will be elaborately investigated. Characterizations of the composition, structure, surface state and energy band structure of the catalysts, as well as their activities for decomposition of dyes in an aqueous solution and water splitting to produce H2 under visible light irradiation (i.e. oxidation and reduction capability) will be all included. The transient, in situ research means and results of electrochemical tests will be combined to unravel the interaction relationships between the physical properties (including composition, structure and surface state) and photocatalytic activity. The research could provide some theoretical basis and experimental methods of designing for highly efficient phase junction photocatalytic materials.

开发新型高效的可见光催化剂，直接高效地利用太阳光是光催化剂能否实现大规模应用的核心问题。而开发高效光催化材料的关键在于如何有效地分离光生电子和空穴。通过在半导体光催化材料中构筑异相结是分离光生电子-空穴的有效途径之一。基于前期对ZnIn2S4的合成与光催化机理的研究，本项目拟通过生物矿化的方法合成具有立方-六方ZnIn2S4异相结光催化材料，表征其组成、结构、表面状态以及能带结构等性质，探索生物矿化对立方-六方ZnIn2S4异相结形成的影响；考察立方-六方ZnIn2S4异相结光催化剂在可见光下氧化和还原的能力；结合瞬态、原位等研究手段和电化学测试的结果，阐明立方-六方ZnIn2S4异相结光催化剂的组成、结构及表面状态与其可见光催化活性的本质联系，为开发具有高活性的异相结可见光光催化材料提供理论依据和实验方法。该研究对丰富光催化基础理论，开发新型高效的光催化材料具有重要的理论和实际意义。

开发新型高效的可见光催化剂，直接高效地利用太阳光是光催化剂能否实现大规模应用的核心问题。而开发高效光催化材料的关键在于如何有效地分离光生电子和空穴。通过在半导体光催化材料中构筑异相结是分离光生电子-空穴的有效途径之一。课题主要探讨ZnIn2S4的合成方法，包括溶剂、生物模板以及MOFs材料的复合对其光催化性能的影响。研究发现，以黑藻为模板制备的ZnIn2S4具有六方-立方的异相结，其光催化产氢活性比单独立方和六方相的ZnIn2S4显示出更优异的性能。这主要是由于两方面的原因导致的。第一，以黑藻为模板制备的ZnIn2S4成功的复制了黑藻的特殊形貌，有利于光的捕获，增加了材料对于光的吸收；第二，具有的异相结结构能有效地分离光生电子和空穴，提高光催化的效率。另外，课题还将研究内容扩展到复合光催化剂的合成上，如将ZnIn2S4与MOFs材料MIL-125和MIL-101进行复合。虽然ZnIn2S4/MIL-125材料在复合程中发生了MOFs骨架坍缩的情况，但是所合成的含Ti-O化合物的复合材料依旧表现出了超出单纯ZnIn2S4的光催化分解水制氢气能力，其产氢速率提升了6倍。而Cr基MIL-101材料因其较大的比表面积能够使ZnIn2S4分散更好，且Cr基MIL-101载体本身可能就具有敏化的作用，从而使ZnIn2S4的产氢活性提升了约25%左右。总之，项目的实施为不仅开发出具有高效的可见光光催化材料，而且为异相结光催化剂的研究提供了重要的理论依据和实验方法。