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中國(guó)科大復(fù)合光催化劑設(shè)計(jì)取得系列進(jìn)展

來(lái)源:未知 時(shí)間:2015-06-18 19:44 點(diǎn)擊:

太陽(yáng)能被認(rèn)為是21世紀(jì)清潔的能源,而光催化是一種可以直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的途徑,是具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉醇夹g(shù)。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料是目前應(yīng)用廣的光催化活性物質(zhì),通常高光催化活性的半導(dǎo)體都具有寬帶隙,因而只能有效地吸收紫外光。由于紫外光只占太陽(yáng)光全譜的5%左右,因此非常有必要發(fā)展能夠廣譜吸光并完成光催化轉(zhuǎn)化的材料。

  近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授熊宇杰課題組設(shè)計(jì)了一類新型的復(fù)合光催化劑,在廣譜光照下展現(xiàn)出大幅度提高的光催化性能。在該工作中,研究人員將具有寬帶隙的半導(dǎo)體材料和具有可見(jiàn)光波段等離激元吸收帶的金屬納米結(jié)構(gòu)集成在一起,通過(guò)界面調(diào)控實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體肖特基結(jié)界面的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程與金屬等離激元的熱載流子注入效應(yīng)的協(xié)同作用,在光解水體系的關(guān)鍵組成部分-產(chǎn)氧半反應(yīng)中表現(xiàn)出廣譜特性。其合作者江俊課題組進(jìn)而通過(guò)理論模擬,揭示了界面工程在該協(xié)同效應(yīng)中的關(guān)鍵角色。該工作為復(fù)合光催化材料設(shè)計(jì)提供了新的視角,發(fā)表于《先進(jìn)材料》上,共同作者是博士生柏嵩和李喜玉。

  2014年以來(lái),熊宇杰課題組圍繞復(fù)合光催化材料體系,發(fā)展相關(guān)材料表面和界面結(jié)構(gòu)可控的合成方法,以合成獲得的具有可控結(jié)構(gòu)的材料模型為研究對(duì)象,通過(guò)與江俊、張群等在制備-理論模擬-先進(jìn)表征方面三位一體的交叉學(xué)科合作,建立表界面結(jié)構(gòu)與光催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系,發(fā)展決定光催化過(guò)程中各個(gè)步驟的關(guān)鍵材料參數(shù)設(shè)計(jì)原則,取得了一系列進(jìn)展。先前,該合作研究團(tuán)隊(duì)聚焦于自然界為豐富的硅半導(dǎo)體材料,揭示了其光解水制氫的真正機(jī)制(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2980);在金屬-半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)體系中,實(shí)現(xiàn)了肖特基結(jié)界面的電荷轉(zhuǎn)移和半導(dǎo)體中的空間電荷分離的協(xié)同(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5107),證實(shí)了表面等離激元效應(yīng)的熱電子注入與肖特基結(jié)界面的電荷轉(zhuǎn)移之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3205),并克服了大多復(fù)合光催化材料中由界面缺陷和無(wú)電荷傳輸通道所帶來(lái)的電荷復(fù)合問(wèn)題(Adv. Mater. 2014, 26, 5689);針對(duì)氣相光催化反應(yīng)的特點(diǎn),通過(guò)與金屬-有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)材料相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了能夠同步捕捉和轉(zhuǎn)化二氧化碳分子為甲烷燃料的復(fù)合材料(Adv. Mater. 2014, 26, 4783)。

  該系列工作陸續(xù)闡明了光催化過(guò)程中各個(gè)步驟的作用機(jī)制,并針對(duì)性地做了材料優(yōu)化設(shè)計(jì)。近期,研究人員將該光催化材料設(shè)計(jì)的研究方法學(xué)總結(jié)于一篇綜述論文中,發(fā)表在化學(xué)綜述期刊《化學(xué)會(huì)評(píng)論》(Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 2893)。

  上述研究工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、霍英東基金、國(guó)家青年千人計(jì)劃、中科院百人計(jì)劃、校重要方向項(xiàng)目培育基金等項(xiàng)目的資助。

 

“制備-理論模擬-先進(jìn)表征”三位一體研究方法學(xué)刊登在《化學(xué)會(huì)評(píng)論》封底上



 


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