[01705854]太阳光驱动高效纳米光催化剂的设计合成及应用

人类社会的迅速发展使得资源和环境问题日益突出。利用太阳能光催化制氢、二氧化碳转化和污染物移除是一项具有重大战略意义的绿色储备技术,其关键是提高太阳光的吸收转化率和光催化剂的效能。该成果在具有表面等离子体效应的贵金属提高半导体尤其是卤化银类光催化剂的表界面的设计及其在有机污染物移除、光还原水制氢以及在CO2光加氢资源化利用方面取得了重要进展。主要内容包括规则卤化银/银微纳米结构的表界面调控设计,Ag纳米壳层提高复合体系太阳能利用率催化剂的制备、光催化反应机制探讨。这些研究成果在理解光催化剂的结构调控与材料本征晶体化学的内在联系、金属/半导体复合提高光催化过程的效率与机制和理性设计环境净化为导向的光催化纳米材料的研制等领域具有参考价值,为发展新能源制造和太阳能-化学能理想转化途径提供理论支持与实验依据。表面等离子效应提高半导体光催化/催化效率的研究已成为该领域的一个重要分支。部分成果已获2011-2012年度青岛经济技术开发区科学技术奖自然科学类二等奖,获批授权发明专利5项。主要科学发现和意义如下： （1）利用反应介质与晶体生长习性的相互作用控制生长卤化银 （AgX） 类半导体纳米晶微结构,建立了该类材料均一纳米光催化剂的简便通用的化学制备方法。 由于银离子（Ag+）与卤素X-（X = Cl, Br, I）离子在溶液体系中反应非常迅速,该类半导体纳米晶的控制生长一直是研究人员面临的一个挑战。传统的双注技术虽然可以获得粒径比较均一的纳米晶,但是操作非常困难,而且产量极低。课题组在深入研究AgX本征晶体结构的基础上,分析了各个晶面的表面能和配位情况,将晶体本征结构和生长习性引入到控制纳米粒子形状与尺寸当中,建立了溶剂的极性、配位能力与晶体晶面相互作用及对成核生长的影响规律,为制备该类材料高质量光催化剂提供了一种理性合成技术。 （2） 构建了银纳米壳/纳米粒子提高太阳光驱动AgX（Ag/AgX）的高活性光催化反应体系,提出了表面等离子体效应提高光催化效率的机制,促进了金属纳米粒子/团簇提高半导体光催化的研发进程。 在获得均一AgX纳米晶的基础上,利用原位还原技术制备出具有完好界面的Ag/AgX复合光催化剂。该方法制备的光催化剂对太阳光表现出宽光谱、强吸收的特征,大幅度提高了太阳能利用率;而且半导体AgX的表面极化促进了光生电子-空穴的分离,大幅提升了光催化效率。该催化剂不仅可高效率降解有机污染物,而且在液态水还原CO2方面也表现出优异的性能。在常温常压条件下,还原产物甲醇与乙醇收率大幅提升到毫摩尔量级, 该工作将极大推动绿色高效转换CO2 的研究进程。与此同时,首次发现空心结构的Ag/AgI表现出光还原水制氢的性能,为探索水还原制氢提供新的材料体系。 相关研究成果发表在国际材料、化学等领域的重要期刊上,如Nanoscale,Journal of Materials Chemistry,ChemSusChem等。其中,8篇代表性论文SCI他引261次,27篇主要论文他引688次。论文发表后被多种国际知名期刊予以正面引用和评价。因工作的系统性,应邀为Journal of Materials Chemistry A撰写综述文章3篇。