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金属氧化物半导体多壳层中空结构的可控合成与光解水性能研究

批准号:
21931012
项目类别:
重点项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
王丹
学科分类:
合成化学
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
王丹

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
本申请拟将理论预测与实验验证相结合,对多壳层金属氧化物中空纳微结构材料进行结构设计、组分调控和性能优化,以增强光捕获能力、扩大光吸收范围、强化光生电荷分离以及促进表面反应等,实现高活性、高稳定性的全水分解光催化剂的创制。采用时域有限差分方法,研究金属氧化物的多壳层中空结构与其光捕获性能的关系,在此基础上进行多层次的介观结构与组成设计。采用“次序硬模板法”,通过模板前处理、强化吸附等策略,实现多壳层中空结构金属氧化物的可控合成;通过调控壳层数目、壳层间距和壳层厚度,提高材料对光的有效吸收;通过构建异质界面和减小壳壁厚度等,强化光生电子与空穴的分离;通过调控孔结构及表面的亲疏水性,加速催化反应的进行。从材料的催化活性及稳定性两个方面系统地考察制备的多壳层中空结构金属氧化物的光解水产氢产氧性能,揭示催化材料的多级结构及组分与其光催化性能的构效关系,为高效光催化材料的开发奠定基础。
英文摘要
In this project, the applicant plans to develop metal oxides with hollow multishelled structure (HoMS) for the purpose of enhancing their solar water splitting properties. It is proposed to combine theoretical prediction with experimental verification to optimize the structure and composition of HoMS, in order to increase the light absorption ability, expand the light absorption range, boost the separation efficiency of the photogenerated charge carriers, and promote the mater transfer, etc. Firstly, the finite-difference time-domain method will be used for studying the relationship between the structure of HoMS and the performance of light harvesting ability, and designing the structure on the basis of this theoretical calculations. Secondly, this project will focus on the systematical and in-depth investigation on controllable synthesis of HoMS. Structural parameters of HoMS including the shell number, shell thickness, inter-shell space, pore size distribution, as well as the surface properties and so forth will be manipulated by pre-treatment of the templates or strengthen the ion penetration of metal ions within the templates. The hierarchical structure of HoMS may enable multiple light scattering and reflection, thus increasing the light harvesting efficiency. The thin shells can shorten the diffusion paths for photo-excited electrons and holes, thus benefitting the charge separation. And the surface hydrophilicity can be also well-controlled to facilitate surface reaction. Finally, hydrogen evolution activity and oxygen evolution activity of the synthesized HoMS will be studied systematically. The structure-function relationship between structure and solar water splitting properties will be revealed, which then promote the development of photocatalysts with high activity and high stability.
全球面临的能源短缺和环境污染问题迫切需要大量的绿色清洁能源,清洁丰富的太阳能的利用是缓解能源和环境问题的有效方式。以金属氧化物半导体为催化剂,通过太阳光把水分解成氢气和氧气,将太阳能转换成氢能存储起来,是一种解决能源危机和环境污染问题的理想途径。目前光解水技术仍面临着催化剂光吸收范围有限、光捕获能力差、光生载流子复合率高等问题,导致整体效率仍然相对较低,距离大规模商业化应用还有差距。本项目以构建具有次序吸光能力的异质中空多壳层结构(Hollow Multishelled Structure, HoMS)金属氧化物高效光催化剂为目标,从光催化的基本原理出发,理论预测与实验验证相结合,进行结构设计、组分调控和性能优化,以增强光捕获能力、扩大光吸收范围、强化光生电荷分离以及促进表面反应等,系统研究该类光催化剂表界面的传递和反应机制。通过对次序模板法合成HoMS的过程进行物理建模和数值模拟,提出并验证了浓度波主导的HoMS形成机制,突破了次序模板法高温合成的诸多限制,拓展了次序模板法的应用范围,为HoMS的精准可控合成提供了理论依据。实现了核壳等微纳结构精细调控,发展了壳核转换与多壳包多核的普适方法;创制了具有内外异质壳层组成、非对称结构等多种独特的HoMS光催化剂。解析了HoMS壳层间距、孔道尺寸等微纳结构对气、液和离子传输的调控机制,以及光催化剂表界面的传递和反应机制。利用HoMS的时空顺序性实现了对光的高效次序吸收,实现了全分解水的光催化;HoMS纳微反应器可高效富集并还原空气中低浓度的CO2,在HoMS颗粒中实现CO2-CO-CH4的串联催化等光催化反应,为高活性、高稳定性光催化剂的开发提供了理论与实践依据。
专题研讨类:无机固态化学和合成化学发展论坛
异质中空多壳层结构的可控合成与光催化还原CO2性能研究
  • 批准号:
    22111530178
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    40万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    王丹
  • 依托单位:
异质中空多壳层结构的可控合成与光催化还原CO2性能研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    --
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    王丹
  • 依托单位:
金属氧化物半导体材料介观结构设计及其光催化性能调控
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