基于原子层纳米片结构的Z-型机制高效光催化全解水体系设计与研究

Hydrogen and oxygen production via overall water splitting by using solar energy is of great significance for the realization of clean energy. This project aim is to improve the solar energy conversion efficiency. It will achieve high efficient photocatalytic overall water splitting activity by constructing metal nitride nanosheets-based Z-scheme composites which is suitable for rapid charge transport. The main investigation is as follows: (1) to study new synthesis method and route of single-layer transition metal nitrides (Ta3N5, TaON, NbN, W2N) and single-layer transition metal nitride-g- carbon nitride Z-scheme composites, and their formation mechanism. (2) to achieve the goal of the solar energy conversion efficiency > 1%, it will explore the effect of microstructure of Z-scheme composites on the photocatalytic overall water splitting performance. (3) to regulate different co-catalysts, it will study the essential photocatalytic overall water splitting mechanism of single-layer transition metal nitride graphite-g-carbon nitride composites Z-scheme system and the improvement mechanism of their structural stability. The development of the project will provide new ideas for the development and utilization of clean hydrogen energy.

利用太阳能直接全解水产生氢气和氧气对于实现清洁能源具有重要意义。本项目拟通过构建适用于电荷快速传输的材料体系，探索高效的原子层金属氮化物纳米片Z-型体系复合材料以加快电荷分离和水分解动力学，实现水的高效光催化全分解，达到提升太阳能转化效率的目的。主要实现：(1) 建立原子层过渡金属氮化物(Ta3N5、TaON、NbN、W2N)纳米片及原子层过渡金属氮化物复合石墨相氮化碳Z-型机制材料的合成新方法，并阐明其形成机理和调控规律；(2) 以太阳能转化效率〉1%为目标，探索Z-型体系复合材料的微观结构对光催化全解水性能的改善机制；(3) 在不同助催化剂作用下，原子层过渡金属氮化物复合石墨相氮化碳Z-型体系材料光催化全解水的本质机理及其结构稳定性的改善机制。该项目的研究将为清洁氢能源的开发和利用提供新的思路。

本项目主要围绕二维超薄氮化碳催化剂设计及其Z-型结构体系构建开展研究工作，并应用于光解水反应。对于产氢半反应，主要设计制备了贵金属、二维原子层金属硫化物、过渡金属氮化物/碳化物、超薄黑磷、磷化物等助催化剂，研究助催化剂表面暴露、界面接触、光遮蔽效应、界面质量等因素对光解水产氢性能的影响。探索助催化剂晶相、微观形貌等结构调控策略对产氢速率、稳定性和量子效率的作用机制，解决了光解水反应动力学较慢的难题，实现了产氢半反应性能的显著提升，丰富了光解水反应体系产氢半反应助催化剂种类；对于产氧半反应的研究，主要合成了典型的主体催化剂/产氧助催化剂体系，实现了产氧半反应性能的大幅度增强，为解决全解水反应中释氧较难问题提供了有力支撑。对于全解水反应，利用纳米结构设计与分子结构工程两种调控策略优化二维氮化碳的电子及分子结构，驱动分子内的电荷转移，进而抑制激子的复合，加速电荷的分离与传输，实现了电子与空穴在空间上的分离，最终实现了光催化全解水性能的改善。在前期研究的基础上，采用自催化热氧化剥离、液氮辅助微波剥离法实现了高品质二维氮化碳的快速、宏量制备。通过构建2D/2D的超薄反应界面，促进了光解水及全解水产氢性能的大幅度提升，并系统研究了过渡金属氧化物(TMOs)催化本体g-C3N4剥离的机制，提出了超薄2D/2D TMOs/g-C3N4复合材料自催化合成的普适性机理。本项目主要进行了以下几个方面的研究工作：(1)可控制备促进产氢和产氧半反应的高效过渡金属氮化物等助催化剂，通过优化其结构和表界面显著提升半导体催化剂的光解水性能；(2)表面调控策略促进二维超薄氮化碳产氢性能的增强，并结合精确合成技术、表征技术和理论模拟阐明光解水制氢反应机制;(3)构筑二维氮化碳Z-型体系，用于光解水反应，实现性能突破,并结合多种表征技术手段和理论计算揭示光解水制氢反应机制; (4)发展了二维氮化碳复合催化剂自催化宏量制备新方法; (5)氮化碳分子设计优化光生电子传输通道，用于光催化全解水反应，实现了光解水性能突破。

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