Cu等离子体共振增强光电催化性能的双重构效关系耦合调控

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51672210
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0208.无机非金属能量转换与存储材料
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The optical property and the charge carrier transport ability of semiconducting photoelectrocatalytic materials are the main limitations for the improved photoelectrocatalytic activity for solar hydrogen generation. Metal plasmon resonance could effectively improve the optical property and the charge transport ability of semiconductors; however, most of the studies have been focused on noble metals like Au and Ag, because it is hard to synthesize stable and pure Cu nanostructures. This project will focus on the fabrication of low cost, stable, and structure and composition controlled Cu nanostructures, to couple with nanostructured semiconductors (previous results), to design plasmonic photoelectrocatalysts with enhanced activities. We will first synthesize stable Cu nanostructures by alloying (i.e., composition and structure) and coating insulator overlayer (i.e., interface structure); then, the plasmon resonance effect will be optimized by synergistically engineering the dual structure-function relationships of “composition and structure-plasmon resonance” and “interface structure-plasmon resonance” for efficient optical absorption and charge separation and then enhanced photoelectrocatalytic activities for solar hydrogen generation. This project will experimentally and theoretically investigate the charge excitation and transport, and photoelectrocatalytic reaction mechanisms as affected by plasmon resonance, and reveal the fundamentals of dual structure-function relationship engineering, providing theoretical principles for designing high efficiency plasmonic photoelectrocatalysts.
半导体光电催化材料的光响应性能和载流子迁移能力是光电催化分解水制氢性能的主要限制因素。金属等离子体共振效应可有效增强半导体的光响应和载流子迁移能力;然而,由于稳定的单质纳米Cu难以制备,研究多集中于Au和Ag等贵金属。本项目拟制备低成本、稳定的、结构组成可调控的Cu纳米结构,并耦合微纳结构半导体(前期研究基础),构建等离子体共振增强型光电催化材料。首先,通过合金化(即组成结构)和构筑表面绝缘层(即界面结构)获得稳定的Cu等离子体;接着,以“组成结构-等离子体共振”和“界面结构-等离子体共振”双重构效关系的耦合调控,优化等离子体共振效应,实现Cu等离子体光电催化材料的高效光响应和载流子强化分离,增强其光电催化性能。本项目将从实验和理论角度对等离子体共振效应作用下的载流子激发迁移机制、光电催化反应机理进行深入研究,揭示双重构效关系耦合调控机制,为高效等离子体光电催化材料的设计提供理论指导。

结项摘要

为实现光电催化过程中高效光子吸收以及高效光生载流子分离与迁移,本项目重点研究Cu等离子体共振增强型光电催化材料,通过Cu等离子体组成结构与表面绝缘层的调控与构筑,实现等离子体共振对光电催化材料光响应特性与载流子传输特性的协同优化,有效增强光电催化性能。首先,本项目利用水溶液还原法制备了不同尺寸、不同组成和不同形貌的Cu等离子体,掌握了纳米Cu等离子体的可控制备经验与规律,揭示了Cu等离子体光电催化材料组成结构与界面结构对等离子体共振效应以至光电催化性能的影响规律。其次,基于Cu等离子体,通过耦合半导体或绝缘体外壳,制备了Cu@C、Cu@SiO2和Cu@TiO2等一系列核壳结构光电催化材料,实现了高效的光催化分解纯水制氢,性能位于同类材料的同期报道最高水平。进而,基于Cu等离子体光电催化材料的制备经验,将该方法延用至不同尺寸、不同形貌的Au等离子体的可控制备;并进一步发展了基于Au和Ag等离子体的高效光电催化材料。最后,利用表面光电压谱、荧光光谱和同步辐射等先进表征技术并结合FDTD等理论模拟方法,深入研究了CuNi@C3N4、Cu@TiO2、Cu@C、Cu@C@TiO2和Fe2O3/Au/TiO2等等离子光电催化材料的组成结构、界面结构和空间结构对等离子体共振效应、界面载流子迁移规律、光电极/电解质界面的电荷传递及表面水氧化反应机理,为等离子体光电催化材料的理性设计提供了理论与实验指导。在Advanced Materials、Science Bulletin等国内外重要期刊发表SCI论文40篇,国内外重要会议作邀请报告20余次,申请和授权国家发明专利各1项,毕业硕士4名、博士2名,出站博士后1名。

项目成果

期刊论文数量(40)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Nitrogen doped ultrathin calcium/sodium niobate perovskite nanosheets for photocatalytic water oxidation
氮掺杂超薄铌酸钙/钠钙钛矿纳米片用于光催化水氧化
  • DOI:
    10.1016/j.solmat.2019.110283
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS
  • 影响因子:
    6.9
  • 作者:
    Muhammad Shuaib Khan;Zhidan Diao;Minoru Osada;Shaohua Shen
  • 通讯作者:
    Shaohua Shen
Protected Hematite Nanorod Arrays with Molecular Complex Co-Catalyst for Efficient and Stable Photoelectrochemical Water Oxidation
具有分子复合助催化剂的受保护的赤铁矿纳米棒阵列用于高效稳定的光电化学水氧化
  • DOI:
    10.1002/ejic.201801200
  • 发表时间:
    2019-04-24
  • 期刊:
    EUROPEAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Chen, Xiangyan;Fu, Yanming;Shen, Shaohua
  • 通讯作者:
    Shen, Shaohua
Pulsed laser-deposited n-Si/NiOx photoanodes for stable and efficient photoelectrochemical water splitting
脉冲激光沉积 n-Si/NiOx 光阳极可实现稳定高效的光电化学水分解
  • DOI:
    10.1039/c7cy00114b
  • 发表时间:
    2017-06-21
  • 期刊:
    CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    He, Lingyun;Zhou, Wu;Shen, Shaohua
  • 通讯作者:
    Shen, Shaohua
Plasma-Assisted Photocatalysis of CH4 and CO2 into Ethylene
等离子体辅助光催化 CH4 和 CO2 转化为乙烯
  • DOI:
    10.1021/acssuschemeng.9b01284
  • 发表时间:
    2019-07-01
  • 期刊:
    ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Li, Naixu;Jiang, Rumeng;Liu, Maochang
  • 通讯作者:
    Liu, Maochang
Red phosphorus decorated and doped TiO2 nanofibers for efficient photocatalytic hydrogen evolution from pure water
红磷修饰和掺杂的 TiO2 纳米纤维用于从纯水中高效光催化析氢
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2019.117764
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL
  • 影响因子:
    22.1
  • 作者:
    Yukun Zhu;Junzhi Li;Chung-Li Dong;Jun Ren;Yu-Cheng Huang;Daming Zhao;Rongsheng Cai;Daixing Wei;Xianfeng Yang;Chunxiao Lv;Wolfgang Theis;Yuyu Bu;Wei Han;Shaohua Shen;Dongjiang Yang
  • 通讯作者:
    Dongjiang Yang

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其他文献

单原子与团簇光催化:竞争与协同
  • DOI:
    10.7503/cjcu20220312
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    高等学校化学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    林治;彭志明;贺韦清;沈少华
  • 通讯作者:
    沈少华

其他文献

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沈少华的其他基金

基于表界面结构调控的微纳结构光电极光电催化能质传输与转化强化
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    110 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
Si纳米阵列异质结表界面结构调控及光电催化反应机理
  • 批准号:
    21875183
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    64.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
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    2011
  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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