中國科大復合光催化劑設計取得系列進展

太陽能被認為是21世紀清潔的能源，而光催化是一種可以直接將太陽輻射能轉化為化學能的途徑，是具發展潛力的新能源技術。無機半導體材料是目前應用廣的光催化活性物質，通常高光催化活性的半導體都具有寬帶隙，因而只能有效地吸收紫外光。由于紫外光只占太陽光全譜的5%左右，因此非常有必要發展能夠廣譜吸光并完成光催化轉化的材料。

　　近日，中國科學技術大學教授熊宇杰課題組設計了一類新型的復合光催化劑，在廣譜光照下展現出大幅度提高的光催化性能。在該工作中，研究人員將具有寬帶隙的半導體材料和具有可見光波段等離激元吸收帶的金屬納米結構集成在一起，通過界面調控實現了半導體肖特基結界面的電荷轉移過程與金屬等離激元的熱載流子注入效應的協同作用，在光解水體系的關鍵組成部分-產氧半反應中表現出廣譜特性。其合作者江俊課題組進而通過理論模擬，揭示了界面工程在該協同效應中的關鍵角色。該工作為復合光催化材料設計提供了新的視角，發表于《先進材料》上，共同作者是博士生柏嵩和李喜玉。

　　自2014年以來，熊宇杰課題組圍繞復合光催化材料體系，發展相關材料表面和界面結構可控的合成方法，以合成獲得的具有可控結構的材料模型為研究對象，通過與江俊、張群等在“制備-理論模擬-先進表征”方面三位一體的交叉學科合作，建立表界面結構與光催化性能之間的構效關系，發展決定光催化過程中各個步驟的關鍵材料參數設計原則，取得了一系列進展。先前，該合作研究團隊聚焦于自然界為豐富的硅半導體材料，揭示了其光解水制氫的真正機制（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2980）；在金屬-半導體復合結構體系中，實現了肖特基結界面的電荷轉移和半導體中的空間電荷分離的協同（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5107），證實了表面等離激元效應的熱電子注入與肖特基結界面的電荷轉移之間的競爭關系（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3205），并克服了大多復合光催化材料中由界面缺陷和無電荷傳輸通道所帶來的電荷復合問題（Adv. Mater. 2014, 26, 5689）；針對氣相光催化反應的特點，通過與金屬-有機骨架結構材料相結合，設計出了能夠同步捕捉和轉化二氧化碳分子為甲烷燃料的復合材料（Adv. Mater. 2014, 26, 4783）。

　　該系列工作陸續闡明了光催化過程中各個步驟的作用機制，并針對性地做了材料優化設計。近期，研究人員將該光催化材料設計的研究方法學總結于一篇綜述論文中，發表在化學綜述期刊《化學會評論》（Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 2893）。

　　上述研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金、霍英東基金、國家青年千人計劃、中科院百人計劃、校重要方向項目培育基金等項目的資助。

“制備-理論模擬-先進表征”三位一體研究方法學刊登在《化學會評論》封底上