极性CoO二维材料表面组成、结构与光催性能的关联性及其机制研究
批准号:
52172148
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
杨合情
依托单位:
学科分类:
无机非金属半导体与信息功能材料
结题年份:
2025
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘彬、孟小华、李小博、郭俊毅、凡娜娜、祁晨、周雅莉、何业旋
中文摘要
基于我们提出的极性晶面间电荷分离机制,本项目以极性CoO二维材料为光催化制氢和二氧化碳还原的模型结构。采用溶剂热和盐中介法制备Co(OH)2等二维材料,再在氩气中加热获得原子层厚度极性{111}表面CoO二维材料。去除(111)表面Cl-和羟基,(111)表面掺杂Ni2+、Fe2+等和负载Ag、Pt等改善其光催化活性与CO2还原选择性,获得高性能光催化剂。制备[111]取向CoO基薄膜,研究其光伏、整流和光电化学性能。采用SPM和AC-STEM等技术表征所制备材料和薄膜,结合密度泛函理论计算,确定其形貌、晶体结构、暴露晶面、晶向、(111)面及其掺杂与负载的表面组成与结构。分析(111)表面组成、结构与光催化,光伏、整流和光电化学性能的关系,基于CoO极性晶面间自发电场和肖特基结对电子迁移的影响,阐明光催化、整流、光伏和光电化学机制,为高性能光催化剂与光电器件的研究提供新策略和理论依据。
英文摘要
Based on the mechanism of charge separation between polar crystal facets, the polar CoO two-dimensional (2-D) materials are used as a model structure for photocatalytic H2 generation and CO2 reduction. 2-D materials of Co(OH)2 and other Co-precursors are synthesized via the solventhermal and salt-mediated methods. The CoO 2-D materials with exposed polar{111}facets are prepared by heating the 2-D materials of Co(OH)2 and other Co-precursors in an Ar atmosphere. Photocatalytic activity and CO2 reduction selectivity of the CoO 2-D materials are improved by removing the surface Cl- ions and hydroxyl groups, doping with Ni2+、Fe2+、Mn2+ or Zn2+ ions and decorating with Ag, Pt or Pd quantum dots at the (111) surface selectively, to obtain high performance photocatalysts. [001]-orientated CoO thin films are prepared, and their rectification, photovoltaic and photoelectrochemical properties are investigated. The CoO based 2-D materials and thin films are characterized by SPM and AC-STEM and other modern technologies. The morphology, crystal structure, exposed facets, crystal orientation, and (111) and doping-loading (111) surface composition and structure are confirmed by combining with density functional theory calculations. The correlation between the photocatalytic, rectification, photovoltaic and photoelectrochemical properties and the (111) surface composition and structure are analyzed. Based on the effect of Schottky junction and spontaneous electric field between polar planes of CoO on electron transfer, the mechanisms of photocatalysis, rectification, photovoltaic and photoelectrochemistry are elucidated. A new theory and a strategy are provided for design and fabrication of the high performance photocatalysts and photoelectric devices.
本项目采用盐模板法、回流法等,基于无机阴离子等晶面控制剂的选择性吸附,成功制备了暴露极性极性晶面CoO超薄纳米片,暴露{111}极性晶面的Fe3O4纳米八面体,CdS和Cu-CdS超薄纳米片,通过氢化处理这些极性晶面上的吸附基团,发现它们对光催降解碱性品红,光催化二氧化碳还原和分解水制氢性能明显增强,表明Fe3O4的{111}、CoO的{111}和CdS的{001}表面均为光催化活性面。在原子水平上提出了极性Fe3O4{111},CoO{111}和CdS{001}表面间电荷分离光催化机制,进一步证明极性晶面间电荷分离光催化机制具有普遍意义,这一光催化机制不仅有助于晶面依赖光催性能的理解,也为高性能光催化剂的设计合成提供理论指导。. 此外,制备了暴露{001}极性晶面-Fe2O3纳米片和暴露{111}极性晶面的Fe3O4纳米八面体,通过氢化去除表面羟基和晶面控制剂,进一步增强了其气敏性能,提出了相应的传感机制。这一极性表面传感模型不仅有助于晶面依赖气体传感性能的理解,也为高性能气体传感材料与器件设计合成提供理论指导。. 在ZnO非极性(10-10)晶面的[0001]极性方向上观察到了整流、电子单向移动,光伏、压电发电、光增强压电,热伏和化学伏特效应。而在[1-210]非极性方向上并没有观察到这些效应。其中热伏和化学伏特效应为我们首次发现的新现象,基于这两效应可以全新方式实现热能和化学能向电能的转化。这些结果充分说明极性结构对材料物理化学性能起着关键作用,这为极性超结构电子学和光电子学的提出奠定坚实基础。.通过溶胶-凝胶法成功制备出了具有不同(111)取向的NiO、CdO薄膜和(001)取向的PbTiO3薄膜,发现随着(111)和(001)取向的增加,它们压电、整流和光伏性能均增加。研究了压力对其结构和性能的影响,发现压电、整流和光伏均起源于它们极性结构。基于NiO、CdO[111]及PbTiO3[001]极性结构,首次从原子角度阐明了压电机制,所提出压电机制不仅挑战了现有压电理论和压电电子学,也为高性能压电材料设计合成提供了理论模型。
极性CoO二维材料表面组成、结构与光催性能的关联性及其机制研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:59万元
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批准年份:2021
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负责人:杨合情
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依托单位:
α-Fe2O3基纳米材料高能表面金属原子结构、配位与气体传感性能的关联性及其机制研究
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批准号:51872178
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2018
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负责人:杨合情
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依托单位:
结构新颖氧化铟纳米材料的合成,生长机理以及传感与光催化特性研究
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批准号:21073116
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项目类别:面上项目
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资助金额:37.0万元
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批准年份:2010
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负责人:杨合情
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依托单位:
镶嵌在SiO2玻璃中的Ⅲ-P、Ⅲ-As纳米晶的溶胶-凝胶制备与光学性质
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批准号:20573072
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项目类别:面上项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2005
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负责人:杨合情
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依托单位:
镶嵌在SiO2玻璃中的III-P(As)纳米晶的溶胶-凝胶制备和光学性质
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批准号:20443006
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项目类别:专项基金项目
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资助金额:8.0万元
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批准年份:2004
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负责人:杨合情
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依托单位:
国内基金
海外基金