二维材料层下限域催化的光电化学分解水
批准号:
22102037
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
谢关才
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
谢关才
中文摘要
窄带隙半导体与电催化剂的集成是制备高效稳定的光电化学分解水电极的重要策略。二维材料层下的限域催化剂通过改变催化活性位点的微环镜而提高催化活性,是一种新颖的高效催化剂。目前,国内外对二维材料层下限域催化的理论研究发展迅速,但是二维材料层下限域催化在光电化学分解水电极中的集成在实验上面临挑战。在本项目中,申请人拟首次将石墨烯层下限域催化应用到窄带隙半导体硅的光电化学分解水反应中,通过限域催化剂与硅的界面设计以及石墨烯限域层的缺陷设计,提出二维材料层下限域催化剂在光电极上的高效集成策略;并结合瞬态光谱技术和第一性原理计算深入分析二维材料层下限域催化在光电化学分解水中的作用机制,包括界面载流子传输、反应物和产物的吸脱附、反应势垒等。相关规律和结果可以推广到CO2还原等其它限域催化反应体系,对光电催化机理的探究以及催化材料性能的进一步提升具有重要意义。
英文摘要
The coupling of low-bandgap semiconductors with electrocatalyst is an important strategy to get stable and efficient photoelectrodes for photoelectrochemical (PEC) water splitting. Confined catalyst under two-dimensional cover (CCTC) has emerging as a novel potent catalyst in various important reactions due to its role in changing the micro-environment of the active sites. However, to date, the coupling of CCTC with semiconductors faces great challenges in experiments, although great progresses have been made on theoretical investigations. In this proposal, it is intended to modify graphene confined electrocatalyst on silicon photoelectrodes for PEC water splitting for the first time by the design of interfaces between silicon and the confined catalyst as well as the design of graphene defects, and give the general method for the coupling of CCTC with semiconductors. Most importantly, the applicant will give in-depth understandings of the CCTC in PEC water splitting including interfacial charge transfer, adsorption/desorption of the reactant/products, and the reaction barriers by combination of transient spectroscopy and first-principal calculations. The results can extend to other catalysis systems such as CO2 reduction and might inspire new designs for high-efficiency catalysts.
为实现我国的“双碳”重大战略目标,基于半导体光电极的光电催化(PEC)分解水制氢被认为是一种理想方案。将窄带隙半导体与电催化剂集成是制备高效稳定PEC分解水电极的重要策略。然而,为满足半导体在电解液中的稳定性,电催化剂常被设计为致密的平面薄膜结构,损失了部分电催化活性,如何将电催化剂在半导体表面集成以实现高效稳定的分解水反应面临巨大挑战。本项目将石墨烯二维材料与传统电催化剂相结合,通过合理的结构设计,在高效稳定的硅基光电极制备以及二维材料在增强光生载流子动力学行为的基本原理揭示方面取得了系统的研究进展:(一)发展了金属氧化物/单层石墨烯/金属三明治结构、多孔石墨烯层下限域的金属氧化物结构等光电极表面修饰结构,提升了硅基半导体光电极的PEC分解水产氧性能;(二)揭示了石墨烯结构对金属氧化物电催化剂本征催化活性以及传质过程的调控机制,从原子、电子层次剖析了二维材料结构在层下限域催化中的关键作用。本项目的相关科学发现拓展了高效半导体光电极的结构设计理念,亦将为原子尺度下催化剂的精细调控及其载流子行为的实验和理论研究提供重要科学参考。基于以上研究内容,申请人以第一作者或通讯作者身份发表高水平论文4篇,包括1篇Adv. Mater、1篇Adv. Funct. Mater、1篇Appl. Surf. Sci.和1篇ACS Catal.。
国内基金
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