基于ZnO单晶的准体相金属-半导体异质结光催化加氢还原CO2机理研究

批准号:
51302261
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
颜峰坡
依托单位:
学科分类:
E0207.无机非金属半导体与信息功能材料
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
潘丹梅、薛小刚、吕佩文、胡启昌、黄嘉魁
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中文摘要
在半导体纳米材料光催化体系中,光生电荷的分离是材料的核心。金属-半导体异质结能够增强半导体纳米材料的光催化活性,因为理论上异质结能在半导体内形成内建电场将光生电子空穴迅速分离。但是,纳米材料尺寸太小,无法利用宏观仪器直接测得内建电场,间接测试或理论推导由于材料纳米化本身所带来的物理化学性质的改变而失真,因此以纳米材料为载体的金属-半导体异质结的光催化机制的研究,很多结论只能停留在定性分析层面。由于ZnO单晶具有可观测的光催化效应,因此,申请人提出在ZnO单晶上构建金属-ZnO准块体体系替代现有的纳米体系,直接测试研究金属-半导体异质结的光催化电荷迁移过程。申请人拟在ZnO不同晶面上沉积不同功函数的金属,系统研究金属-半导体异质结内建电场及电荷迁移对半导体光催化机理机制的影响,并利用这一体系研究光催化加氢还原CO2反应机理。研究结果将对当前已工业化的热催化加氢还原CO2机理研究提供重要借鉴。
英文摘要
The seperation of photo-generated carrier is the core of materials in semiconductor nanomaterials photocatalytic system. Theoretically speaking, metal-semiconductor heterojunction can enhance the photocatalytic activity of the semiconductor nanomaterials for the heterojunction can form a built-in electric field which separating photo-generated electron-hole pairs rapidly in the semiconductor. However, the size of nano material is too small to measure the build-in field using any instruments directly. Moreover, Indirect test or theoretical derivation will be distorted due to the change of the physical and chemical properties of materials induced by nanocrystallization. In this condition, the study of mechanism of photocatalysis of metal-semiconductors based on nano material can only be stuck in the level of qualitative analysis. On the premise of ZnO single crystal with a observable photocatalytic effect, we proposed to build metal-ZnO quasi-block heterojunction system on the ZnO single crystal to replace the existing nanosystems, and then to study the photocatalytic charge migration process between the metal-semiconductor heterojunction. Firstly, we intend to deposit metals with different work function to the different crystal planes of the ZnO and systematically research the influence of the built-in electric field and charge transfer to the photocatalytic mechanism of semiconductor. Secondly, we intend to utilize this metal-ZnO quasi-block heterojunction system to study the photo-assisted direct hydrogenation of CO2. The research results will be provides an important reference to the mechanism study of industrialized thermocatalytic hydrogenation of CO2.
长期以来,异质结构光催化剂催化性能的提高被归结为界面电场的产生,这个重要的概念被广泛用来解释异质结构的光催化性能,由此产生一些认识上的偏差,诸如异质结必然是肖特基结等。在半导体中,金属与半导体的接触类型是需要条件的,结的类型也需要通过I-V测试结果来判断。鉴于此,我们开展以下主要研究内容:①利用多种方法获得不同载流子浓度的ZnO单晶并测试和表征;②通过磁控溅射的方法获取不同的金属-半导体异质结,并进行一系列的测试和表征;③用光催化降解有机染料和光催化加氢还原CO2来评估系列样品的光催化活性,结合密度泛函的吸附模拟计算,研究光催化过程中异质结的作用机理。结果表明,异质结的接触类型和金属种类、半导体费米能级以及制备过程的环境和条件密切相关。通过比较Ag/ZnO(Zn面)欧姆接触和Pt/ZnO(Zn面)肖特基接触两种接触类型的异质结的降解有机物的光催化活性后发现,在欧姆接触类型的异质结中,在方向为Ag指向ZnO内建电场作用下,电子聚集到金属颗粒而ZnO则富集空穴,由于ZnO本身具有与内建电场同向的自极化电场,因此空穴漂移到O面参与光催化降解;而在肖特基接触的异质结中,在方向为ZnO指向Ag内建电场作用下,空穴聚集到金属颗粒,而空穴则由金-半接触面向体内漂移,由于此时自极化电场与内建电场反向,电子将返回Zn面参与光催化反应。如将这一结果应用于CO2还原,除了考虑电子、空穴的迁移之外,还要考虑金属/半导体材料对H2和CO2气体分子的吸附性能。根据密度泛函计算,Cu吸附CO2而ZnO则吸附H2,因此,ZnO-Cu之间形成肖特基接触即可保证Cu富空穴而ZnO富电子,除此之外,还要保证还原半反应和氧化半反应必须处于相邻的活性位点,这时跟内建电场方向相反的会使空穴漂移到远离活性位点的自极化电场方向显然是不行的,因此Cu/ZnO(O面)肖特基结在实验中观察不到甲酸的形成。理论推理和实际实验中还发现,现有的光催化体系已经能够满足光生载流子的分离需要,需要解决影响光催化效率的关键问题是电子和空穴与水反应形成自由基之后在与染料分子反应之前的时间内的自由基再复合问题。以上结论有助于加深理解金属半导体异质结在光催化过程中的电子空穴传输和转移机制,为探索和合成新的高效的光催化材料提供一个可能的方向,为未来的光催化机理研究提供一个可能的借鉴。
期刊论文列表
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DOI:10.1002/cssc.201300818
发表时间:2014
期刊:ChemSusChem
影响因子:8.4
作者:Fengpo Yan;Yonghao Wang;Jiye Zhang;Zhang Lin;Jinsheng Zheng;F. Huang
通讯作者:Fengpo Yan;Yonghao Wang;Jiye Zhang;Zhang Lin;Jinsheng Zheng;F. Huang
DOI:10.1039/c5ra00882d
发表时间:2015-03
期刊:RSC Advances
影响因子:3.9
作者:Fengpo Yan;Jinsheng Zheng;Xiaogang Xue;Jiye Zhang;F. Huang;Y. Qiu
通讯作者:Fengpo Yan;Jinsheng Zheng;Xiaogang Xue;Jiye Zhang;F. Huang;Y. Qiu
Subsolidus Phase Relations in the TiO2?NiO?WO3 System
TiO2、NiO、WO3 体系中的固相线相关系
DOI:--
发表时间:2014
期刊:Chinese J. Struct. Chem.
影响因子:--
作者:颜峰坡
通讯作者:颜峰坡
DOI:10.1016/j.apsusc.2014.07.100
发表时间:2014-11
期刊:Applied Surface Science
影响因子:6.7
作者:Xianyang Yue;Jiye Zhang;Fengpo Yan;Xian Wang;F. Huang
通讯作者:Xianyang Yue;Jiye Zhang;Fengpo Yan;Xian Wang;F. Huang
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