光生电荷可隧穿的“单点单核金属/绝缘体/半导体”SMIS结型复合光催化剂及其作用机制研究
批准号:
22072022
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
龙金林
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
龙金林
中文摘要
研制新型高效光催化剂,突破光能转换低效率瓶颈是光催化研究面临的巨大挑战。本项目基于前期探索研究和发现,聚焦水分解制氢和用水还原CO2制化学品和太阳能燃料等重大能源光催化过程,另辟蹊径,提出光生电荷可隧穿分离输运的多组分异质复合光催化剂设计新原理和新思路。研究不同组成和类型的“单点单核金属/绝缘体/半导体”SMIS异质结构的控制制备与光催化性能调控;探索水分子在单点单核金属空穴捕获中心上的氧化与O-O键的形成机制以及CO2在单点单核金属电子捕获中心上的吸附、活化和还原转化的分子机理;确定电荷隧穿分离输运的关键影响因素。制备出高活性和高稳定性的SMIS结型复合光催化剂,弄清界面多电荷转移反应的化学机制,阐明SMIS结型光催化剂功能组元结构和性能的设计原理,揭示界面电场对电荷隧穿输运的调控规律。该研究对丰富半导体光催化基础理论以及指导新型高效能源转化光催化剂的设计制备具有重要的科学和实际意义。
英文摘要
Developing new high-efficiency photocatalysts to break through the bottleneck of low energy conversion efficiency is a huge challenge in the field of photocatalysis. Based on our previous exploration and discovery, this project aimed at the photocatalytic processes of major energy sources such as water splitting into hydrogen and CO2 reduction to chemicals and solar fuels, and proposed a novel idea and principle for designing multi-component heterogeneous photocatalysts with the tunneling, separating, and transport properties of photogenerated charges. Main researches focused on three aspects. The first part is the controlled preparation and regulated performance of “mononuclear single-atomic metal/insulator/semiconductor (SMIS)” heterojunctions with different compositions and types. The second part is to explore the elemental processes of water oxidation occurred on the electron-trapping center of mononuclear single-site metal atoms, the formation mechanism of the O-O band, the absorption, activation and reduction processes of CO2 substrate on the hole-trapping center of mononuclear single-site metal atoms. The third part is to clarify the key parameters affecting the charge tunneling, separation and transport. The SMIS-type photocatalysts with high activation and stability will be prepared successfully. The chemical mechanism of interfacial multi-charge-transferred reactions will be uncovered clearly. The design principles of functional motif, structure and performance of SMIS-type photocatalysts will be clarified. The regulation rule of interface electric field on the tunneling and transport photogenerated charges will be revealed. This research was of scientific importance and practical significance for enriching the basic theory of semiconductor photocatalysis and guiding the design and preparation of new high-efficiency energy conversion photocatalysts.
项目重点围绕SMIS异质结构光生电荷长距离隧穿分离输运原理与光催化作用机制,通过对多个系列单点单核金属/绝缘体/半导体SMIS异质结构复合光催化剂的控制制备、结构表征、构效关系和作用本质等方面开展详细的实验论证,明确了空穴隧穿动力学、分子作用机制和单点单核金属空穴/电子捕获中心上的氧化/还原机理,并对新型SMIS结型复合光催化剂应用于人工模拟光合作用和太阳能-燃料转化系统进行了可行性评估。主要研究内容如下:(1)设计制备了多元可调控新型SMIS结型结构的光催化剂,详细研究了构效关系,阐明了金属担载方式、种类、晶相对催化性能的影响,并对反应过程的激发态动力学和反应本质进行了探讨,为构建高效稳定的人工光合系统提供重要的科学理论依据。研究成果先后发表在《J. Am. Chem. Soc.》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《ACS Sustainable Chem. Eng.》等期刊。(2)构建了系列人工光合作用系统并对太阳能–燃料转化策略进行了评估。详细研究了单点单核金属空穴捕获中心上O-O键形成机制以及在电子捕获中心上的CO2吸附、活化和还原转化的分子机理,揭示了单点单核金属在反应中作为空穴/电子储集和氧化/还原活性位点的双重功能。研究成果先后发表在《Adv. Mater.》、《J. Energy. Chem.》、《J. Power Sources》、《ChemSusChem》等期刊。(3)设计制备了多元可调控线性有机聚合物及超分子纳米组装诱导SMIS结构单元光催化剂,深入探究了界面电荷转移的反应动力学和功能组元结构的影响机制,揭示了界面电场对电荷隧穿输运的调控规律。研究成果先后发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Chin. J. Catal.》、《Catal. Sci. Technol.》等期刊。(4)基于基本肖特基模型,通过对不同功能组元的调控,构建了系列SMIS结型光催化剂,详细研究了各功能组元结构对光生载流子分离、输运、存储的作用机制,阐明了金属功函、界面结合强度、绝缘层种类/厚度对空穴/电子隧穿动力学的影响,揭示了功能组元与催化性能之间的物理联系。研究成果先后发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Mater. Today Chem.》等期刊。
卤素钙钛矿光催化有机合成精细化学品研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:10万元
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批准年份:2020
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负责人:龙金林
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依托单位:
纳米氧化物光催化剂表面DCA结构单元的设计构建及其可见光催化还原CO2作用机制研究
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批准号:21773031
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2017
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负责人:龙金林
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依托单位:
纳米氧化物半导体复合光催化剂界面异质结和异相结的分子作用机制探索
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批准号:21373051
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项目类别:面上项目
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资助金额:82.0万元
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批准年份:2013
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负责人:龙金林
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依托单位:
(C3N3S3)x基有机聚合物半导体可见光水分解制氢催化剂及作用机制探索
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批准号:21003021
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2010
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负责人:龙金林
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依托单位:
国内基金
海外基金