半导体异质结提高气敏和光电催化裂解水的性能与机制

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51772015
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E02.无机非金属材料
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Solar driven catalysis on semiconductors to produce clean chemical fuels, such as hydrogen, is widely considered as a promising route to mitigate environmental issues caused by the combustion of fossil fuels and to meet increasing worldwide demands for energy. The wide-band gap semiconducting metal oxides (SnO2, ZnO and In2O3 etc.) based sensors can been used to detect environmental toxic gases due to their interior non-stoichiometry. For water splitting, these narrow gap semiconductors of Fe2O3, WO3 and BiVO4 have attracted increasing attention because they not only possess appropriate band gap positions with the valence band more positive than the potential of water oxidation (1.23 V) but also exhibit appropriate surface reaction kinetics and reasonable stability in aqueous solution under prolonged irradiation. However, for a single semiconductor, the high operating temperature leads to high power consumption, safety hazards and low stability, limiting their practical application in gas detection. While the conducting polymers such as polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy) and polythiophene (PTh) are sensitive to VOCs at room temperature and have advantages of environmental stability, low cost and facile synthesis. It is a feasible strategy to combine the characters of semiconducting metal oxides and conducting polymers, the sensing performance of the new gas sensing material will over the constituent counterparts due to their synergistic and complementary effects. One of the key limiting factors affecting efficiency in artificial photosynthesis is recombination of charge carriers. Therefore, substantial efforts have been put into solving these problems, in particular, the coupling secondary semiconductors that can act as either electrons or holes acceptors to suppress charge carriers recombination. The loading double transition metal–LDH can act as an efficient oxygen evolution co-catalyst to accelerate the water oxidation kinetics that is the rate determining step during water splitting. The theoretical modelling of semiconductor electronic structures at interfaces, and how these explain the functionality of the junction structures are provided in the project according to the first principle calculation. This strategy in the project provides opportunities for much improved solar energy effective utilization and high solar-to-chemical fuel conversion efficiency.
单一宽禁带半导体如SnO2和ZnO,由于其本征化学非计量性对一些有毒气体具有敏感响应,但选择性差和操作温度高导致耗能和不安全。通过与导电高分子杂化的异质结能构成室温传感器,并进一步提高其气敏性能。而窄禁带半导体,如α-Fe2O3,WO3和BiVO4,不仅具有合适的禁带宽度,价带最高低于水氧化热力学电位而且持续光照下在含水溶液中稳定,可吸收可见光作裂解水的光催化剂。但往往会遭遇光生电子与空穴的重结合和受阳极水氧化缓慢动力学的限制。本项目选择第二种半导体作为电子或空穴的接受体,按费米能级差和能带位置相匹配原则构建p-n异质结能有效抑制电子-空穴的再结合;同时负载层状双金属氢氧化物或碳酸盐作为水氧化催化剂,缓解电极表面空穴的积累,不仅加速水氧化动力学并能抑制电荷载流子的重结合。借助于密度泛函理论的第一性原理计算揭示提高气敏和光电化学转换的作用机制。该项目对缓解能源短缺和环境污染具有重要意义。

结项摘要

开发和研究实时检测环境污染的高灵敏度、高选择性、快速响应和低温操作的气体传感器和高效的太阳能制氢光电化学水裂解系统是解决我们面临的日益增长能源需求和环境污染问题的有效途径。实质性工作是研制高效、低成本的气敏和光电极材料。半导体金属氧化物由于其结构稳定、制备方法简单、成本低和效率高等优点,是开发气体传感器和光电化学水裂解光电极的核心并具有很大的发展潜力。本项目采用设备简单、条件温和的低温水热、化学沉淀、浸渍、热分解、静电纺丝法等方法制备大长径比、大比表面的一维纳米丝、纳米棒,二维纳米片和由低维纳米材料自组装的分级纳米结构金属氧化物半导体,包括 n-型和p-型,宽带隙(SnO2、ZnO、Co3O4、NiO)和窄带隙半导体(α-Fe2O3、BiVO4和BiFeO4等),表征它们的结构和形貌,并测试它们的气敏和光电化学性能。结果表明,单一金属氧化物不能满足当前气敏和光电化学水裂解的需求。因此,我们研究了各种策略改善其性能,如形貌和结构调控、金属元素掺杂、催化剂负载、rGO修饰和构建异质结复合物。实验证明构建异质结是提高单一金属氧化物气敏和光电化学性能的有效方法。我们依据两种金属氧化物能带匹配原则,采用低温水热法、电化学沉积法、简单滴烧法,模板诱导水热阴离子交换法和光辅助电沉积方法制备了各种异质结复合物,如WO3/α-Fe2O3、α-Fe2O3/BiVO4、ZnO/BiVO4、SnO2/BiVO4、ZnO/CdO、MoO3/BiVO4和BiVO4/Cu2O等。提高了复合物的气敏和光电化学性能,并从热力学能带结构和表面反应动力学详细讨论了提高机理。为进一步提高材料性能,在异质结上修饰了rGO和助催化剂,如各种2D层状氢氧化物(LDHs),如Ni-Fe LDH、Ni-Co LDH、Co-Al LDH 或普鲁士蓝,以抑制电子空穴的复合和加速水氧化反应动力学。在此基础上,我们还引进了三元双金属氧化物半导体作为气敏和光电极材料,如ZnSnO3、BiVO4、BiFeO4、ZnWO4、BiWO4、和ZnFe2O4,因为在过去几十年中,几乎所有可能的二元金属氧化物都被研究,然而,令人满意的气体传感器和光电极仍然存在很大的竞争,而且开发新材料永远是各个领域的前沿课题,这也促进我们的研究工作。

项目成果

期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
An Integrating Photoanode of WO3/Fe2O3 Heterojunction Decorated with NiFe-LDH to Improve PEC Water Splitting Efficiency
NiFe-LDH修饰的WO3/Fe2O3异质结集成光阳极提高PEC分解水效率
  • DOI:
    10.1021/acssuschemeng.8b02267
  • 发表时间:
    2018-10-01
  • 期刊:
    ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Bai, Shouli;Yang, Xiaojun;Chen, Aifan
  • 通讯作者:
    Chen, Aifan
rGO modified nanoplate-assembled ZnO/CdO junction for detection of NO2
rGO 修饰的纳米板组装 ZnO/CdO 结用于检测 NO2
  • DOI:
    10.1016/j.jhazmat.2019.121832
  • 发表时间:
    2020-07-15
  • 期刊:
    JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Bai, Shouli;Sun, Xi;Chen, Aifan
  • 通讯作者:
    Chen, Aifan
Synthesis of Co3O4/TiO2 composite by pyrolyzing ZIF-67 for detection of xylene
热解ZIF-67合成Co3O4/TiO2复合材料用于二甲苯检测
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2017.10.080
  • 发表时间:
    2018-03-30
  • 期刊:
    APPLIED SURFACE SCIENCE
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Bai, Shouli;Tian, Ke;Liu, Chung Chiun
  • 通讯作者:
    Liu, Chung Chiun
rGO decorated BiVO4/Cu2O n-n heterojunction photoanode for photoelectrochemical water splitting
rGO修饰的BiVO4/Cu2O n-n异质结光电阳极用于光电化学水分解
  • DOI:
    10.1016/j.renene.2019.10.044
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
    RENEWABLE ENERGY
  • 影响因子:
    8.7
  • 作者:
    Bai, Shouli;Han, Jingyi;Chen, Aifan
  • 通讯作者:
    Chen, Aifan
Triadic Layered Double Hydroxide Modified Semiconductor Heterojunction for PEC Water Splitting
用于PEC水分解的三元LDH修饰半导体异质结
  • DOI:
    10.1021/acssuschemeng.9b06306
  • 发表时间:
    2020-03-16
  • 期刊:
    ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Bai, Shouli;Han, Jingyi;Chen, Aifan
  • 通讯作者:
    Chen, Aifan

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi || "--"}}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year || "--" }}
  • 期刊:
    {{ item.journal_name }}
  • 影响因子:
    {{ item.factor || "--"}}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

其他文献

溶胶-凝胶法合成纳米复合氧化物
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    自然科学进展, 15(6):764~768, 2005
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    梁达文;白守礼;杨东;陈霭璠
  • 通讯作者:
    陈霭璠
Electron Transport Properties of One-Dimensional Structural SnO2 Belts
一维结构 SnO2 带的电子传输性能
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012-07
  • 期刊:
    Acta Physico - Chimica Sinica
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    白守礼;杨文胜;陈霭璠;孙丽娜;林原;张敬波;LI Xiao-Ning 1,2 BAI Shou-Li 1, YANG Wen-Sheng 1 CHEN Ai-Fan;2 Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Institu;3 Tianjin Key Laboratory of Structure;Performance for Fun
  • 通讯作者:
    Performance for Fun
逆微乳液法合成六铝酸盐甲烷燃烧
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国科学,B辑:化学,37(6): 581-586, 2007
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王良士;白守礼;崔梅生;石冰洁
  • 通讯作者:
    石冰洁

其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi || "--" }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year || "--"}}
  • 期刊:
    {{ item.journal_name }}
  • 影响因子:
    {{ item.factor || "--" }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}
empty
内容获取失败,请点击重试
重试联系客服
title开始分析
查看分析示例
此项目为已结题,我已根据课题信息分析并撰写以下内容,帮您拓宽课题思路:

AI项目思路

AI技术路线图

白守礼的其他基金

气敏和光催化功能氧化钨纳米材料的改性设计及机制
  • 批准号:
    51372013
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    80.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
掺杂一维纳晶金属氧化物气敏材料与敏感机制研究
  • 批准号:
    51072014
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    39.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
高灵敏度检测环境有毒气体传感器的性能及机制研究
  • 批准号:
    20577001
  • 批准年份:
    2005
  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
检测环境有毒气体纳米复合气敏性质及气敏机制研究
  • 批准号:
    20377004
  • 批准年份:
    2003
  • 资助金额:
    7.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

{{ item.name }}
  • 批准号:
    {{ item.ratify_no }}
  • 批准年份:
    {{ item.approval_year }}
  • 资助金额:
    {{ item.support_num }}
  • 项目类别:
    {{ item.project_type }}

相似海外基金

{{ item.name }}
{{ item.translate_name }}
  • 批准号:
    {{ item.ratify_no }}
  • 财政年份:
    {{ item.approval_year }}
  • 资助金额:
    {{ item.support_num }}
  • 项目类别:
    {{ item.project_type }}
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了

AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
关闭
close
客服二维码