过渡或主族金属硒化物/ZnIn2S4直接或双直接Z型二维异质结可见光解水产氢催化剂的设计与构建及其性能和机理研究
批准号:
52072196
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李镇江
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李镇江
中文摘要
直接Z型光催化剂既可实现光生载流子的有效分离,又可保持光生电子的高还原活性,是一种非常有前途的产氢光催化剂。然而,要成功构建Z型光催化剂就需解决两大关键问题:如何选择材料体系以使材料间的能级相匹配;如何构建不同材料间的良好界面接触以保证载流子的高效分离。本项目针对上述问题,分别选用具有二维结构的过渡(Mo/W)或主族(In/Sn)两类金属硒化物与富缺陷ZnIn2S4复合,构建出系列直接或双直接Z型二维异质结可见光解水产氢催化剂,并揭示这类光催化剂的构建规律。主要研究内容:1)构建富缺陷ZnIn2S4及系列过渡(Mo/W)或主族(In/Sn)金属硒化物/ZnIn2S4二维异质结可见光催化剂,并揭示其生长机理;2)系统研究所构建的系列直接或双直接Z型二维异质结可见光催化剂的本征电子结构、能级匹配及光生载流子的迁移及复合动力学,揭示催化剂产氢性能的提升机理,并阐明其构建与产氢性能之间的构效关系。
英文摘要
Direct Z-scheme photocatalyst can not only achieve the efficient separation of the photocarriers, but also retain the prominent reduction activity of the photogenerated electrons, which has been considered as a promising photocatalyst for hydrogen evolution. However, how to select material system to obtain the energy level matching between materials, and how to build a fine interface contact among the different materials to ensure the efficient separation of the carriers, these two pivotal problems need to be solved to construct the Z-scheme photocatalyst successfully. Aiming at the above mentioned key issues, two-dimensional transition (Mo/W) or main-group (In/Sn) metal selenides and defect-rich ZnIn2S4 were selected to construct a series of the direct or dual direct Z-scheme two-dimensional heterojunction visible-light water-splitting photocatalyst for hydrogen production, and the basic constructing laws for such photocatalysts were revealed. Main research contents are as follows: 1)The defect-rich ZnIn2S4 and series transition (Mo/W) or main-group (In/Sn) metal selenides/ZnIn2S4 two-dimensional heterojunction visible photocatalysts are synthesized, and their growth mechanisms are disclosed; 2) The intrinsic electronic structure, energy level matching, photocarriers migration and recombination dynamics of the fabricated direct or dual direct Z-scheme two-dimensional heterojunction visible photocatalysts are systematically studied. The mechanisms of the enhancing hydrogen production performance for the photocatalysts are unveiled, and elucidating the structure-activity relationship between the constructed the visible-light photocatalyst and the hydrogen production performance.
光解水产氢技术是实现零碳排放的关键技术,具有广泛的应用前景。本项目开发出系列新型光催化剂,并完成了任务书中的全部内容:1)构建出富缺陷ZnIn2S4纳米片以及系列新型高性能过渡(Mo/W)或主族(In/Sn)金属硒化物/ZnIn2S4直接Z型或双直接Z型二维异质结可见光解水产氢催化剂,并掌握了其关键可控制备技术。2)通过探寻各工艺参数及原料组成对所制备的系列ZnIn2S4基高性能可见光解水产氢催化剂的组成、微观形貌及表/界面结构等的影响规律,获得了ZnIn2S4纳米片表面缺陷的形成机理以及过渡族或主族金属硒化物在富缺陷ZnIn2S4纳米片表面缺陷处原位异质形核及外延生长,进而构成以化学键连接的二维/二维异质结的形成规律和生长机理。3)基于对产物的系统表征和性能测试结果,并结合相关基本理论,揭示出调控参数对二维异质结可见光解水产氢催化剂的能带结构、光吸收能力以及光生载流子在界面处的迁移与复合动力学的影响规律,建立了直接或双直接Z型异质结可见光催化剂的构建与产氢性能之间的本征构效关系模型,诠释了产物具有高效可见光解水产氢性能的机理,为其他高性能可见光催化剂的设计及机理研究提供了理论借鉴。.在完成任务书全部内容之外,还拓展性地开发出高性能的具有半共格界面的ZnIn2S4/CoIn2S4异质结以及金属Cu单原子复合的Cu+掺杂ZnIn2S4光催化剂,并掌握其关键制备技术,同时阐明了复合以及低价Cu离子掺杂与浸出机制,并获得产物性能提升机理。.取得的具体成果:获山东省自然科学奖二等奖1项、山东省优秀博士学位论文2篇、山东省研究生优秀成果一等奖1项,中国国际大学生创新大赛(2024)总决赛中荣获金奖1项;申请国家发明专利10项,授权5项;发表高水平论文36篇,其中JCR一区论文30篇,影响因子大于10.0的论文26篇;培养青年教师2名,博士4名,硕士19名;远超项目计划中“在SCI收录期刊及国内外重要学术期刊上发表高水平论文8~15篇,申请国家发明专利3~5项”的任务指标。所获创新成果具有原创性,达到国内外同类技术领先水平。
基于新型“O-S”电荷转移机制设计构建高性能光解水催化剂ZnIn2S4-单/双/类金属-MxOy(M=Nb、Mo、W)及机理研究
-
批准号:22379081
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:50万元
-
批准年份:2023
-
负责人:李镇江
-
依托单位:
系列新型氮掺杂石墨烯一维中空纳米结构的构筑、性能及协同机理研究
-
批准号:51672144
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:62.0万元
-
批准年份:2016
-
负责人:李镇江
-
依托单位:
SiC一维纳米材料的量产化连续制备、生长机理及理论模拟研究
-
批准号:51272117
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:80.0万元
-
批准年份:2012
-
负责人:李镇江
-
依托单位:
高效抗菌、抗藻、光催化多功能纳米复合材料的可控合成、机理及性能研究
-
批准号:50972063
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:39.0万元
-
批准年份:2009
-
负责人:李镇江
-
依托单位:
大量SiC一维纳米材料及阵列的低成本合成、机理及物性研究
-
批准号:50572041
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:29.0万元
-
批准年份:2005
-
负责人:李镇江
-
依托单位:
国内基金
海外基金