基于金属缺陷和氧缺陷TiO2的p-n同质结光催化剂构建及作用机理

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21676193
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0815.能源化工
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

TiO2 is an important photocatalyst in energy and environmental science. The synthesis of visible-light response and highly active TiO2 remains a challenge. N-type oxygen-defected TiO2-x is promising photocatalyst for visible light utilization, and the applicant recently synthesized metal-defected Ti1-xO2 with p-type conductivity. In this project, nanoscaled p-n homojunction will be constructed using these two materials, which is expected to have three advantages: utilizing visible light by oxygen-defected TiO2-x, improving charge separation by the junction, and enhancing stability of TiO2-x by moving away photo-induced holes. Two key scientific issues, namely controllable synthesis of nanoscaled p-n homojunction, and charge transfer mechanism of p-n junction and its optimization, will be addressed. First, to maximize the junction interface, the synthesis method will be explored to fabricate Ti1-xO2 and TiO2-x in nano-size and quantum-size, and to further decorate the surface of nanoparticles with quantum particles of another photocatalyst. Then two interface models, namely TiO2-x QDs decorated Ti1-xO2 and Ti1-xO2 QDs decorated TiO2-x, will be studied to correlate the relationship between photocatalytic performance and interface structure. Finally, to optimize the interface structure, a DFT computation will be conducted to understand the mechanism of electron transfer across the interface and the critical influence factors. This project is expected to synthesize TiO2 with high visible-light activity and high stability, to deeply understand how the junction interface works, and thus to provide new insights in rational design and fabrication of highly efficient photocatalyst.
TiO2是能源和环境化工的重要光催化剂,制备能利用可见光、催化活性高的TiO2仍是挑战。n型导电的氧缺陷型TiO2-x是极具前景的可见光催化剂,申请人近期制备了p型导电和高活性的金属缺陷型Ti1-xO2。本项目将以二者为基础,在纳米尺度构建p-n同质结,利用结界面的电荷分离来增强可见光活性和稳定性。围绕“纳米尺度p-n同质结的可控合成”和“p-n同质结界面的作用机制及匹配优化”关键科学问题,发展纳米和量子尺寸Ti1-xO2和TiO2-x制备方法,将量子点生长于纳米颗粒表面,实现结界面最大化;以两种结界面(TiO2-xQD/Ti1-xO2、Ti1-xO2QD/TiO2-x)为模型,建立界面结构与催化性能的构效关系;采用理论计算阐述结界面电荷传递机理及影响因素,实现结界面匹配优化。项目可望制备一种具有高可见光活性和高稳定性的TiO2,深入理解界面工作机制,为高效光催化剂设计和制备提供新思路。

结项摘要

光催化是利用太阳能驱动化学反应,进行水分解产氢、污染物脱除、合成功能化学品的重要方式,也是减少对化石能源的依赖,实现碳中和的重要途径。构筑高效光催化剂是提高光催化效率、推动光催化迈向应用的关键。本项目基于DFT理论计算和实验研究,建立了半导体催化剂金属缺陷和氧缺陷结构的可控制备方法,以及纳米尺度p-n同质结和异质结半导体的可控制备方法,阐明了缺陷结构及结界面对光催化性能的影响规律,揭示了半导体体相及跨越结界面的电荷传递机制,实现了纳米尺度p-n结的可控合成和结界面的匹配优化,为高效光催化剂的设计和制备提供了途径。主要成果如下:(1)提出金属缺陷抑制载流子(电子和空穴)复合的机制:费米面附近的电子自旋方向高度极化,传输过程中形成与空穴相反的自旋方向,从根本上抑制二者复合,近乎100%自旋极化的Ti0.936O2的催化活性比常规TiO2提高20倍;(2)阐述氧缺陷结构促进半导体活性的机制:催化剂对光的吸收,电荷转移效率及光催化水氧化活性与氧缺陷的浓度有密切关系,氧缺陷大幅度降低速控步骤的活化能,限制逆反应的;(3)构建p-n同质结TiO2和p-n同质结ZnO:p-n结界面显著促进电荷分离和传递,光催化产氢活性分别较金属缺陷(p型)和氧缺陷(n型)提高1.7和7.5,光催化MO降解活性分别提高2.3和10.8;(4)构建p-n异质结TiO2/g-C3N4:协同提高催化剂的可见光利用和电荷传递能力,光催化产氢、光催化降解MO和苯酚的活性分别为g-C3N4的5.7倍、3.6倍和1.6倍。在Nat. Comm.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mat.、催化学报、物理化学学报等发表SCI收录论文31篇,授权美国发明专利1项、中国发明专利2项,申请中国发明专利1项。培养青年人才2名,毕业研究生6名。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Iron phosphide encapsulated in P-doped graphitic carbon as efficient and stable electrocatalyst for hydrogen and oxygen evolution reactions
封装在磷掺杂石墨碳中的磷化铁作为氢和氧析出反应的高效稳定的电催化剂
  • DOI:
    10.1039/c8nr06752j
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Nanoscale
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Yao Yunduo;Mahmood Nasir;Pan Lun;Shen Guoqiang;Zhang Rongrong;Gao Ruijie;Aleem Fazal e;Yuan Xiaoya;Zhang Xiangwen;Zou Ji Jun
  • 通讯作者:
    Zou Ji Jun
基于WO_(3-x)量子点和TiO_2构建高效Z型光催化产氢催化剂(英文)
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    催化学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    潘伦;张靖雯;贾旭;马煜航;张香文;王莅;邹吉军
  • 通讯作者:
    邹吉军
Advances in Piezo-Phototronic Effect Enhanced Photocatalysis and Photoelectrocatalysis
压电光电子效应增强光催化和光电催化研究进展
  • DOI:
    10.1002/aenm.202000214
  • 发表时间:
    2020-02-28
  • 期刊:
    ADVANCED ENERGY MATERIALS
  • 影响因子:
    27.8
  • 作者:
    Pan, Lun;Sun, Shangcong;Wang, Zhong Lin
  • 通讯作者:
    Wang, Zhong Lin
CoP nanoparticles embedded in P and N co-doped carbon as efficient bifunctional electrocatalyst for water splitting
嵌入 P 和 N 共掺杂碳中的 CoP 纳米粒子作为高效双功能水分解电催化剂
  • DOI:
    10.1016/j.jechem.2017.07.021
  • 发表时间:
    2017-08
  • 期刊:
    Journal of Energy Chemistry
  • 影响因子:
    13.1
  • 作者:
    Zhou Zeqi;Mahmood Nasir;Zhang Yongchao;Pan Lun;Wang Li;Zhang Xiangwen;Zou Ji Jun
  • 通讯作者:
    Zou Ji Jun
Engineering Cobalt Defects in Cobalt Oxide for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution
工程设计氧化钴中的钴缺陷以实现高效电催化析氧
  • DOI:
    10.1021/acscatal.8b01046
  • 发表时间:
    2018-03
  • 期刊:
    ACS Catalysis
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Zhang Rongrong;Zhang Yong Chao;Pan Lun;Shen Guo Qiang;Mahmood Nasir;Ma Yu Hang;Shi Yang;Jia Wenyan;Wang Li;Zhang Xiangwen;Xu Wei;Zou Ji Jun
  • 通讯作者:
    Zou Ji Jun

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其他文献

IrO2-SiO2涂层钛阳极的失效行为研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    化学工业与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙猛猛;王庆法;邹吉军;张香文
  • 通讯作者:
    张香文

其他文献

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邹吉军的其他基金

基于吸附-光催化的太阳光驱动协同产氢及水体净化体系构建
  • 批准号:
    22161142002
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    200 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
基于吸附—光催化的太阳光驱动协同产氢及水体净化体系构建
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
基于氧缺陷型非贵金属氧化物的加氢催化剂及其作用机理研究
  • 批准号:
    U1462119
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    65.0 万元
  • 项目类别:
    联合基金项目
基于固体光催化的降冰片二烯异构反应研究
  • 批准号:
    20906069
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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相似海外基金

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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]
      
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