A 光催化能源材料-

1、A. 光催化能源材料分会主席:邹志刚、王天民、叶金花、黄柏标、王心晨A-01光催化材料:最新的进展及挑战叶金花天津大学A-02染料敏化石墨烯复合物中的受激电荷转移与表面反应吕功煊中国科学院兰州化学物理研究所A-03高效BiOI光催化材料的理论研究赵宗彦, 戴文武昆明理工大学材料科学与工程学院 650093当前全球范围内面临的能源短缺与环境污染问题日益严峻。太阳能是绿色、可再生新能源的典型代表,其高效利用可以从根源上缓解或解决上述两大问题。在太阳能利用形式中,光催化技术属于典型的人工模拟光合作用。它不仅可以分解水产生氢气、还原二氧化碳制取碳氢燃料,还可以降解各类污染物,因此可以同时解决能源短缺和

2、环境污染问题。经过近三十余年的开发与研究,目前光催化技术仍面临着太阳光谱响应范围窄和量子效率低的难题。对此,相关的研究集中在传统光催化材料的改性研究和新型高效光催化材料的开发。卤氧化铋是一类具有开放层状结构的新型光催化材料,其中碘氧化铋的带隙较小(1.9 eV、光吸收系数高,因此在可见光激发下具有较高的光催化活性。但是碘氧化铋存在一个严重的缺陷是其还原电势较低,无法分解水产氢。为了从根本上理解碘氧化铋在光催化反应中的基本物理化学性质,我们采用基于密度泛函理论的第一性计算方法,构建相应合理模型,对碘氧化铋各方面的基本结构和性质进行了系统、详细的分析研究。首先对碘氧化铋电子结构和光学性质进行了详细

3、的分析,发现相对其它的卤氧化铋材料,由于I-5p电子态较高的能级与O-2p电子态杂化形成价带顶,因而其带隙明显较窄。然后我们对其中的各类点缺陷(空位、反位、杂质进行了系统地分析,发现适当的点缺陷可以抬升其还原电势,从而实现分解水制氢的止目标。随后,我们还对碘氧化铋的表面结构与性质、纳米超薄膜、合金化、异质结等多方面的性质进行深入的探讨。通过上述理论研究,我们对碘氧化铋的基本性质有了深入的理解,同时发现采用合适的改性方法,不仅可以实现光催化分解水制氢,同时也可以进一步增强其光催化活性。这些理论研究结果为开发高效碘氧化铋光催化材料提供了有力的理论支持。关键词:光催化;碘氧化铋;第一性原理计算;分解

4、水制氢A-04具有宽光谱响应和高光催化活性的硅酸银光催化材料制备与性质研究王泽岩1, 黄柏标1, 娄在祝1, 戴瑛21. 山东大学晶体材料研究所2. 山东大学物理学院光催化技术因其在解决能源与环境问题方面的潜在应用,受到了世界各国科学家们的广泛关注。然而,光催化材料的光谱响应范围窄和载流子分离效率低的问题严重制约了光催化效率的提高及其在解决能源与环境问题方面的实际应用。银基光催化材料由于Ag离子独特的d10电子构型以及Ag纳米颗粒的表面等离子体共振效应,使含银材料表现出良好的光吸收特性。基于对极性材料内建电场及不同配位离子间的电荷转移促进光生载流子分离方面的研究,结合硅酸盐丰富的配位环境,我们

5、制备了Ag6Si2O7和非晶硅酸银新型光催化材料1,2。Ag6Si2O7是一种具有单斜晶体结构的极性晶体,在整个可见光区域具有强烈的光吸收。Si-O八面体在该材料内部形成共角的Si2O7基团,并提供12个Ag+位置,形成3种不同配位环境的Ag-O键。通过对材料的电子结构进行理论模拟,发现具有不同配位环境的Ag-O键有利于光生载流子的分离。并且在沿材料内部b轴方向的内建电场的驱动作用下,光生载流子的分离效率进一步增强。在材料内部极化电场和不同配位离子间电荷转移的协同作用下,Ag6Si2O7在可见光驱动下降解有机染料过程中表现出极高的光催化活性。在此基础上,利用共沉淀法制备了系列非晶硅酸银光催化材

6、料。通过调节制备过程中前驱体Ag/Si比例及溶液pH值,实现了硅酸银带隙从450-900nm连续可调。实验表明Si的比例对材料能带及光催化活性具有重要影响,当Ag/Si=3.20时材料具有最高的光催化活性。并结合理论计算模拟,对非晶硅酸银的能带及光催化活性的调控规律进行了详细研究。关键词:光催化,可见光吸收,载流子分离,硅酸银A-05低温原位制备新型化合物半导体p-n结光电薄膜及器件雷岩,贾会敏,郑直*许昌学院河南省微纳米能量储存与转换材料重点实验室构筑高效低成本的新型纳米结构太阳能电池,揭示器件内部界面微结构与最终光伏性能之间的关系,是未来光伏产业发展的理论和技术基础。p-n结是太阳能电池的

7、工作基础,但是其复杂的制备过程需要消耗较高的能量且会造成一定程度的环境污染。有效降低p-n结制备过程的能耗对新型太阳能电池制备意义重大。本文利用部分化合物半导体可低温(室温合成的特性,在半导体或导电基底表面低温原位制备了Ag2S、CuS、Ag3CuS2、CuI、Ag2Se、BiOI和BiOBr等一系列化合物半导体纳米晶光电阵列薄膜,并将致密、均匀的片状或金字塔状的有序阵列p-n结薄膜制作成低成本太阳能电池器件1, 2。特别是基于Ag2S和CuAgS2组装的太阳能电池器件(没有进行界面修饰表现出优异的短路电流密度,达到每平方厘米20毫安3,同时具有较高化学稳定性和较大的光吸收系数(光吸收可以扩展

8、到近红外区,几百个纳米厚的薄膜就可以有效地吸收和利用太阳光。在没有进行任何封装的情况下可以保持光电转化性能一年以上。我们还研究了此类电池内部界面微结构变化与光吸收、激子扩散及解离、载流子传输等过程的关系,并利用瞬态表面光电压技术对器件的异质结类型、载流子寿命和光电转换性能进行了深入的研究,发现有机/无机材料异质结界面的性质对器件的光电转化能力起到了决定性的作用4。该类低温原位方法制备的p-n结薄膜能有效地提高光生载流子的分离并抑制电子空穴复合。具有操作简单、反应快捷且重复性好,产品易成膜、能耗低、环境友好、可大面积制备等优势,同时克服了传统成膜过程中颗粒团聚、微观结构破坏、杂质引入、高温退火、

9、机械稳定性差等问题。这项工作的完成为制造大面积、低成本及低能耗光电薄膜及器件提供了一种新的思路和可靠方法。A-06石墨相氮化碳光催化研究进展王心晨福州大学化学学院,福州利用太阳能光催化分解水制氢和CO2光固定, 实现从太阳能到化学能的直接转化, 是未来最重要和最简捷的氢能生产技术之一, 在解决能源短缺和环境污染方面具有重要科学意义和重大应用前景. 近40年来, 人们开发了数百种无机半导体光催化剂,但是这些催化剂尚无同时具备高量子效率和高可见光利用率, 而且催化剂的主要组份大都包含昂贵的、资源稀缺材料, 难以实现太阳能光催化技术的实际应用.因此,开发高效、稳定、廉价和环境友好的可见光光催化剂成为

10、当前国际光催化研究的前沿和发展方向之一. 近年来, 一种仅由C、N两种元素通过sp2杂化组成的共轭半导体石墨相氮化碳(g-C3N4, 由于其独特的半导体能带结构和化学稳定性, 被作为一类不含金属成分的新型可见光光催化剂,引起了人们的广泛关注. 本文介绍了我们课题组在聚合物光催化剂和助催化剂研究中的一些新进展, 如:聚合物的掺杂改性、组成-结构调控、表/界面反应动力学控制、金属有机框架聚合物在人工光合成中的助催化作用等。A-08高效 WO3/CdS 核壳纳米线阵列光电极的制备及光生电荷分离研究李海金1,2, 周勇1, 邹志刚11. 南京大学环境材料与再生能源研究中心2. 安徽工业大学能源紧缺与环

11、境污染是人类可持续发展的两大急需解决的问题。作为绿色能源技术之一的光催化技术成为能源领域的研究热点。高效光催化剂应该具有合适的能带带隙以便吸收更多的光能,产生更多的光生电荷;其次还应具有合适的能带结构即导带和价带的电势要符合发生氧化还原反应的热力学要求;第三,光生电子与空穴能够有效分离以便有更多的电荷参与氧化还原反应。然而,单一成分的光催化剂难以同时达到上述要求。设计与制备多组分、多相光催化材料,发挥各组分的优势,达到提高光催化性能的目的。因此,我们用两步气相沉积法成功制备了WO3/CdS核壳纳米线阵列。实验结果表明,CdS沿着WO3纳米线的轴线方向均匀的附着在WO3纳米线的整个表面,形成了W

12、O3/CdS核壳异质结。由于CdS比WO3带隙更小,增加了WO3/CdS纳米线的可见光吸收,提高了可见光区的光利用率。在WO3/CdS核壳结构的界面处形成了内建电场,在内建电场的作用下,CdS的光生电子向WO3的导带迁移, WO3的光生空穴向CdS 的价带迁移,有效抑制了光生电子和空穴的复合。WO3纳米线为单晶结构,减少了复合中心,同时纳米线有利于光生电荷的快速传输,亦减少了光生电子和空穴的复合几率。因此,与WO3和CdS相比,WO3/CdS 核壳纳米线的光电流、电化学阻抗及荧光电子寿命均得到了改善与提高,增强了WO3/CdS核壳纳米线的光电催化活性。关键词:光电催化;异质结;光电极;WO3/

13、CdSA-09纳米Au不同吸收模式(带内跃迁和带间跃迁驱动的可见光光催化:从有机物降解到水分解刘乐全1, 欧阳述昕1, 王德法1, 叶金花1,21. 天津大学材料科学与工程学院TU-NIMS联合研究中心2. 日本国立物质材料研究机构近年来兴起的以Au光吸收作驱动力的光催化,为解决宽带隙半导体(Eg>3.0 eV在可见光区域响应问题提供了一个崭新的思路,现已发展成为光催化领域的一重要研方向。为有效利用长波长可见光,我们设计开发了Au纳米棒TiO2和Au纳米笼C-TiO2两个体系,1-2实现了TiO2复合材料在整个可见光区域的响应。首次报道了Au/SrTiO3可见光水氧化活性,对该体系的敏化

14、历程深入研究发现:Au/SrTiO3上的可见光水氧化的驱动力主要来自于Au纳米颗粒的带间跃迁(Interband transition而非LSPR效应。3另一方面,我们从促进载流子分离效率的角度入手,设计制备了Au/SrTiO3/TiO2体系,可见光效率得到有效提升。4关键词:Au,局域等离子体共振,带间跃迁,可见光光催化,水分解A-10BiPO4光催化材料的结构调控与活性增强的研究朱永法(清华大学北京 100084BiPO4系光催化材料是一类含氧酸盐结构的新型光催化材料,具有光催化活性高及具有纳米结构的特点,是目前光催化材料研究的重要方向之一。采用多种方法可控合成了独居石型磷酸铋纳米棒,带宽

15、为3.85 eV,对多种污染物的紫外光催化降解活性是P25 TiO2的2倍。磷酸根的诱导效应产生的自发极化,形成的内建电场促进了电子空穴的分离和传导,是高活性的本质原因。磷酸铋中OH缺陷的存在会促进电子空穴的再复合,引起价带的提高和导带的降低,导致光催化速率降低和降解机理的变化,是制约其活性的主要因素。通过水热法控制合成了三种晶型的磷酸铋,光催化降解亚甲基蓝和甲基橙的速率均为独居石型磷酸铋>单斜磷酸铋>六方磷酸铋。电子空穴分离效率是导致三种晶相磷酸铋活性差异的主要原因3。理论计算表明,独居石型磷酸铋由于PO4四面体的扭曲程度最大,产生的偶极距最大,最有利于电子空穴的分离,使得光催化

16、活性最高。通过磷酸酯的高温水解法,可控合成了磷酸铋纳米晶。其中9nm的样品去除油酸后的比表面积是75m2/g,是水热合成样品的25倍,其光催化活性比P25 TiO2提高3.6倍左右,是水热合成磷酸铋的样品的两倍2。通过水热合成条件的优化,可以合成出直径40纳米的磷酸铋纳米棒,其光催化性能是可以达到P25 TiO2的3倍左右7。并通过加热回流法,在常压下批量合成了磷酸铋纳米棒光催化材料,其活性可以达到P25 TiO2提高2.5倍左右。通过非晶态配合物的方法制备获得了BiPO4薄膜光催化材料,同样具有很好的紫外光催化活性。采用溶剂热法合成了形貌可控的磷酸铋纳米棒光催化剂,研究发现甘油含量、水热时间

17、、水热温度及前驱体浓度会影响磷酸铋纳米棒的形貌及结构。甘油含量和前驱体浓度主要影响产物形貌,随着甘油含量的增加,产物的长径比先增大后减小。前驱体浓度越低,所得BiP04纳米棒的尺寸越小,长径比越大,水热时间短时,产物结晶度差,且为六方相。时间延长后转化为单斜相。水热温度过低或过高均不利于完美晶体的形成,160度时产物的结晶度最高。BiPO4纳米棒在紫外光下具有良好的光催化性能。其光催化活性受长径比和尺寸大小影响的总体趋势是长径比越大,尺寸越小,其光催化活性越强。结晶度对BiPO4的光催化性能影响较大,结晶度越高,其光催化活性越好,单斜相BiPO,的光催化活性较六方相的强。采用回流法实现了BiP

18、O4纳米棒光催化剂的常压规模化合成了。探讨了反应时间、反应物比例、pH 值和反应物浓度对BiPO4晶相结构和形貌尺寸的影响,发现反应时间和反应物浓度对产物的形貌尺寸影响较大, 反应物比例和pH值对产物晶相结构和形貌尺寸均有较大的影响, 进一步影响BiPO4光催化剂的活性. 调控各种因素后可合成出具有单斜相独居石/六方相混晶结构的高紫外光活性BiPO4纳米棒光催化剂。调控温度和时间煅烧六方相结构BiPO4(HBIP制备异相结光催化剂。在350600范围内,随着煅烧温度提高BiPO4由六方相逐渐转变为单斜相独居石(nMBIP和单斜相(mMBIP结构,并生成了含有不同晶相组分的异相结结构BiPO4。

19、低温煅烧对BiPO4形貌结构和颗粒尺寸影响不大,高温煅烧使BiPO4纳米颗粒团聚和熔融。500煅烧6h的BiPO4光催化剂生成由nMBIP和mMBIP两种晶相组成的异相结界面,对多种有机污染物亚甲基蓝(MB、罗丹明B(RhB、甲基橙(MO和苯酚(phenol均具有良好的光催化活性效果,降解以上污染物的表观速率常数比HBIP提高10倍以上。利用EIS、自由基捕获和PL证明异相结结构BiPO4的光催化氧化降解有机污染物的活性物种为空穴,异相结界面能促进光生电子和空穴的快速分离,从而进一步提高光催化活性。通过阴离子置换法制备了BiPO4/BiOI可见光复合光催化剂。BiPO4的存在增强了BiOI可见

20、光下( >420 nm降解和矿化苯酚的速率。当复合光催化剂中BiPO4的摩尔含量为7%时,其可见光下降解和矿化苯酚的速率分别是纯BiOI的2倍和4倍。BiPO4与BiOI相互作用产生电荷转移,由电荷转移产生的空穴氧化能力比BiOI的强,使BiPO4/BiOI的矿化能力大幅度提高,加强了其降解和矿化苯酚的速率。另外,BiPO4具有较大的偶极矩,复合物中BiPO4的存在有利于促进光生电子和空穴的分离及迁移,从而提高了BiPO4/BiOI的光催化活性。利用超声辅助煅烧法制备了具有全光谱光催化活性的BiPO4/Bi2WO6异质结光催化剂,对多种有机污染物光催化氧化降解具有较好的普适性。在BiPO

21、4/Bi2WO6复合光催化剂中,形成了以BiPO4纳米棒为中心Bi2WO6纳米片包裹生长的类似核壳的结构。BiPO4具有快速分离Bi2WO6光生空穴的能力,Bi2WO6可快速分离传输BiPO4光生电子,两者相互作用加速了光生载流子的分离和提高全光谱光催化活性。通过原位氟化法合成了氟掺杂BiPO4(F-BiPO4。在一定范围内,BiPO4光催化降解亚甲基蓝的活性随氟掺杂浓度的增大先增加后减小。当F:Bi(摩尔比在0.02-0.1范围内时,F-BiPO4的光催化活性都比纯BiPO4的强,F:Bi为0.03时活性最强,相比于纯BiPO4提高了30%。光催化活性增强的原因主要是F-BiPO4对底物吸附

22、能力的增强、活性面的增多及光生载流子分离速率的增大。过量的氟会造成BiPO4中过多缺陷的形成,导致光生载流子复合速率增大,使BiPO4的光催化活性下降。将BiPO4与H2O2协同,提高了体系去除苯酚的速率,并提出了BiPO4及H2O2协同BiPO4光催化降解苯酚的机理。BiPO4价带顶能级很低(约3.5 V vs SCE,光照下产生强氧化能力的空穴,可将苯酚快速降解并彻底矿化为无毒的CO2和H2O。H2O2通过羟基自由基(OH机理降解苯酚,可使苯酚迅速转化为中间产物,但不能将其彻底矿化。H2O2的加入会加速BiPO4对苯酚的转化,但由于H2O2会吸附在BiPO4表面,消耗矿化能力强的空穴,低浓

23、度的H2O2会降低BiPO4对苯酚的矿化速率。当H2O2在BiPO4表面达到吸附饱和后,溶液中游离的H2O2在光照下产生大量OH,大大加速苯酚的转化,间接提高BiPO4对苯酚的矿化速率。通过球磨实现了BiPO4缺陷结构的可控生成,用煅烧退火和水溶液回流对BiPO4缺陷结构进行了修复。揭示了缺陷结构对BiPO4光催化活性能、光电性能的影响规律。球磨后的BiPO4,生成了大量氧缺陷(V O、铋缺陷(V Bi等体相缺陷。随着球磨转速的提高和球磨时间的延长体相缺陷逐渐增加,BiPO4光催化性能下降明显。采用不同煅烧温度退火和不同回流时间处理后,BiPO4的体相缺陷得到修复,光催化性能有所提高但还仍低于

24、前驱体BiPO4。回流法比煅烧法可更好地修复BiPO4体相缺陷。交流阻抗结果表明,缺陷结构会严重影响BiPO4光生电荷的有效分离和传输、降低光催化活性。活性物种捕获证明缺陷结构不会改变BiPO4光催化氧化降解机理,主要氧化活性物种都是空穴。通过g-C3N4的表面杂化作用,实现了磷酸铋光催化材料的可见光活性,并且同时提高了其紫外光催化活性。4%杂化量时,紫外活性相比水热样品提高约2.5倍,而10%杂化量时可见活性最高。碳化氮与磷酸铋间的能级匹配,促使光生载流子得到有效分离,从而提高光催化剂的活性。通过H2O2与磷酸铋光催化剂的协同催化作用,可以加快苯酚等污染物的降解和矿化速率,具有协同作用。A-

25、11多尺度构筑面向太阳能燃料光催化材料刘岗中国科学院金属研究所 110016光催化是实现太阳能转化利用的重要途径之一,其核心是发展高效光催化材料。光催化效率是由光吸收、光生电荷分离及光生电荷表面催化转移等三个过程共同决定的,高效光催化材料需要协同实现这三个过程。本报告将介绍针对上述三个关键过程,基于掺杂、晶面控制、异质结构以及新材料探索策略所取得的最新研究进展,特别是对掺杂原子与缺陷空间分布控制、两类典型的半导体-半导体核-壳异质结构和金属性-半导体核-壳异质结构、半导体晶面-金属界面的设计与构建。关键词:太阳能;光催化;水分解水;光催化剂A-12板钛矿二氧化钛晶面调控及其光催化性能研究许华,

26、 赵明, 叶金花天津大学,材料科学与工程学院,TU-NIMS联合研究中心 300072半导体光催化技术因其在清洁能源与环境净化领域的潜在应用,近年来受到广泛关注。板钛矿二氧化钛(TiO2因其是一种亚稳态晶相,较难合成纯相,所以对其研究较少。但近年来研究发现其具有比锐钛矿、金红石相TiO2较负的导带电势,有利于光催化还原反应。本工作通过对板钛矿TiO2进行晶面调控,结合理论模拟计算及实验结果,系统研究了其暴露晶面与光催化性能之间构效关系。首先,以钛酸四丁酯、尿素、乳酸钠为原料,通过调节反应溶液酸度,选择性合成了暴露121晶面的板钛矿TiO2纳米棒(BT121和暴露211晶面的板钛矿TiO2纳米晶

27、(BT211。理论计算表明121晶面存在更多未完全配位的Ti原子和较高的表面能,有利于反应分子吸附;但其态密度分布显示电子更倾向于分布在121晶面暴露的板钛矿TiO2内部,导致激发态电子较难向表面迁移。实验结果表明121晶面暴露的板钛矿TiO2具有较低的价带电势,而211晶面暴露的板钛矿TiO2平带电势较负。以上表面原子结构及电子结构特征解释了BT121在以空穴氧化为主导的光催化降解罗丹名B反应中活性较高,而BT211在光催化分解水制氢反应中表现出更高的光催化产氢效率(801 mmol·h-1。关键词:光催化,板钛矿TiO2,晶面调控。A-13氧化亚铜微晶的晶面调控与光电特性研究高红

28、, 张俊英, 王天民北京航空航天大学 100191目的:氧化亚铜是一种金属缺位的直接带隙光催化半导体材料,其禁带宽度约为2.0eV左右,对可见光响应。本文对氧化亚铜微晶的晶面进行了调控并且对其光电性质进行探索和研究。方法:利用水热法制备了Cu2O,系统研究了原料组成和工艺参数对微观形貌的影响,获得了一系列具有特殊形貌的氧化亚铜微晶。结果:氨水能够定向调控晶面的选择性暴露,生物模板能够对微晶表面孔洞的尺寸进行控制,有机酸和无机酸能够实现不同晶面之间的相互转化。结论:微晶的110晶面和111晶面的表面电性相反,证实了111晶面带负电,110晶面带正电。氧化亚铜微晶能够在可见光下将甲醛水溶液分解,同

29、时释放出氢气,而且暴露110晶面的微晶表现出更高的光催化产氢性能。关键词:氧化亚铜,微观形貌,光电特性A-14从晶体的结构要素探讨光催化材料的结构与性能的关系黄柏标山东大学晶体材料国家重点实验室组成晶体的结构要素主要有:组成元素的种类和价态;配位多面体的种类和畸变;配位多面体的三维空间排列方式;微观对称与宏观对称;缺陷与掺杂等。半导体的能带与能带结构;晶体的宏观自发极化与畴结构;载流子行为与光吸收特性,以及其它物理化学性质均由其晶体结构决定。本报告重点从组成晶体的配位多面体的畸变与配位多面体的极化率,到晶体的剩余极化率和内建电场与光生载流子有效分离的关系,探讨了BiOIO3、Bi2O2BO2(

30、OH、Bi2ZnOB2O6、Ag6Si2O7材料的结构与光催化性能的关系,研究了Amorphous Silver Silicates的宽光谱光吸收和光催化性质。探讨了不同配位多面体间电子转移机理,分析了具有不同结构基元的铜基化合物Cu2(OHPO4、Cu3(OH4SO4、 Cu4(OH6SO4和Cu2(OH3Cl的晶体结构和电子结构,对其红外光催化和光生载流子分离过程进行了研究。针对不同价态金属离子对半导体电子结构的影响,提出了价态异质结,研究了CuO/CuSCN,Mn3O4/MnCO3价态异质结材料的结构与光催化性质的关系,分析了Mn3O4/MnCO3价态异质结材料的光热协调催化机理。以Zn

31、O,ZnS为例,提出了阴离子空位浓度可控材料制备方案,研究了阴离子空位对载流子分离的影响机理和光催化性质。发现并制备了具有宽光谱吸收的层状化合物GeH光催化材料,并研究了其构效关系。探讨了铋基MOF材料的晶体结构与载流子分离的关系。从组成晶体结构的基本要素出发,揭示材料的光吸收和载流子行为的本质,为探索新型光催化材料和理解光催化机理提供了一条思路。A-15高效p-n型双光子光电化学太阳能水分解电池罗文俊南京工业大学 210009光电化学水分解电池可以直接将太阳能储存为氢能。自Fujishima和Honda在1972年报道了TiO2光电化学电池可以将水分解为氢气和氧气以来,人们做了大量的研究来提

32、高光电极的性能,但太阳能转换效率依然很低。把水分解为氢气和氧气需要1.23V的偏压,以及大约0.6V的过电势和电阻损耗。因此, 单个光电极材料分解水至少需要1.8eV的带隙,这远大于太阳能利用的最优带隙。p-n双光子光电化学电池可以利用更长波长的太阳光,同时能提供足够高的光电压。在本报告中,我们将提出几种提高BiVO4、Ta3N5、Fe2O3光阳极和Cu2ZnSnS4光阴极性能的新方法。经改性后,使BiVO4和Ta3N5光电极分解水太阳光电流达到当时的世界最高值。此外,我们还首次利用这种高性能BiVO4光电极实现了户外分解天然海水产氢。关键词:光催化;光电化学;太阳能制氢;水分解A-16Ag/

33、TiO2反点阵列材料的可控制备及其可见光光催化性能研究祁洪飞1, 周学礼1, 王天民21. 北京航空材料研究院钢与稀贵金属研究所2. 北京航空航天大学凝聚态物理与材料物理研究中心为进一步提高TiO2的可见光利用率及光生载流子的分离效率。通过对胶体晶体微结构的反向复制,设计并制备了三维空间上高度有序的Ag/TiO2反点阵列材料。采用SEM、XRD、UV-Vis等手段对反点阵列材料的结构和光催化性能进行了表征与评价。结果表明: Ag/TiO2反点阵列具有显著的可见光光催化活性,其降解亚甲基兰的可见光活性远高于TiO2反点阵列和TiO2薄膜。吀椀伀2反点阵列具有较大的比表面积和形状各向异性,可迫使负

34、载于其上的Ag 纳米粒子呈单颗粒状均匀分布,表现出较为明显的等离子体共振效应。这是Ag/TiO2反点阵列材料取得优良的可见光活性的物理本质。关键词:可见光光催化,等离子体共振效应,Ag/ TiO2, 反点阵列A-17聚乙烯醇基共轭聚合物/二氧化钛复合光催化材料的研究淡宜, 江龙高分子材料工程国家重点实验室(四川大学,四川大学高分子研究所 610065共轭聚合物/二氧化钛复合光催化材料具备共轭聚合物结构可设计特性及对可见光响应的可调控特性和二氧化钛光催化氧化/还原特性,是光催化环境净化材料、光催化能源转换材料的重要组成部分。在我们对聚噻吩、聚3-己基噻吩、聚吡硌等芳杂环共轭聚合物/二氧化钛复合光

35、催化材料研究的基础上,结合我们对聚乙烯醇的认识和研究积累,基于聚乙烯醇的经济性、环境友好性及侧羟基易脱除形成共轭双键的反应特性,提出发展新型聚乙烯醇基共轭聚合物/二氧化钛复合光催化材料的新思路。通过UV-Vis、TGA-FTIR、NMR等分析,系统研究了聚乙烯醇固相消除反应和液相消除反应形成共轭结构的规律,进一步将形成共轭结构的聚乙烯醇侧羟基消除技术与形成二氧化钛晶体结构的溶胶-凝胶技术相结合,制备得到聚乙烯醇基共轭聚合物/二氧化钛复合光催化材料,这种材料展现出吸收可见光的特性,并具备较高的可见光催化活性。紫外-可见吸收光谱和气相色谱测定结果表明,可见光辐照下,复合光催化材料能使罗丹明B、甲基

36、橙等液相模型污染物溶液快速脱色,使正己烷等气相模型污染物直接矿化为二氧化碳和水。聚乙烯醇基共轭聚合物/二氧化钛复合光催化材料制备方法简便,通过聚乙烯醇侧羟基的反应不仅可形成共轭结构,而且可形成网络骨架结构,在光催化环境净化和光催化能量转化方面显示出广阔的应用前景。感谢研究生杨海刚、宋远卿、张见玲、曹绍强、张锦等同学的努力工作;感谢国家自然科学基金项目(50573052 和 51173116的资助。关键词:聚乙烯醇;共轭聚合物;二氧化钛;复合光催化材料;光催化性能A-18二氧化钛复合纳米材料的结构调控及光还原CO2为碳氢燃料涂文广, 周勇,* 邹志刚*南京大学环境材料与再生能源中心关键词:TiO

37、2, 光催化还原CO2,Au,Z结构A-19光热协同催化探索王文中, 蒋东中国科学院上海硅酸盐研究所 200050光催化及热催化是两种典型的可持续、清洁技术手段,在水分解、水煤气转换、挥发性有机物(VOCs氧化消除等领域具有广阔应用前景。然而,在实际应用中两项技术均存在一些不足。例如,光催化效率低,仅能利用紫外光和部分可见光,占50%的红外光难以激发多数光催化材料,仅带来低值的热能;热催化虽然效率高,但是在低温区效率低甚至不能被激活、易失活等。探索合适的材料体系对光、热催化过程进行联合、协同,将有助于两项技术在环境净化、太阳能利用等领域的进一步发展及应用实践。我们在光、热催化的低温联合及协同方

38、面开展了探索性的工作,特别对过渡金属半导体氧化物的可控合成、光/热催化特性及两者之间的协同机制进行了深入的研究。将Bi引入CeO2,同时拓展了后者的可见光利用及低温可还原性,使Ce x Bi1-x O2-固溶体在低温(20-70o C下对甲醛的催化氧化中展现出显著的光、热催化联合;反应动力学分析表明,光、热催化过程之间相互促进,产生了远高于两者叠加的协同性能。另外,近期研究发现,MnO x-CeO2固溶体拥有覆盖紫外-可见-红外的全光谱利用(光-热及光-电转换,室温下对甲醛的催化氧化中即呈现显著的光、热催化协同;材料经历长期暗反应失活后可通过光照再生。此外,催化技术内部相关物理、化学过程间的协

39、调对光、热催化协同的实现同样关键。在Au-CeO2对丙烯的催化氧化中发现,少量Au(0.25-1wt%的加入即可显著提升材料的光催化与热催化能力,然而Au纳米颗粒的含量及尺寸对包括等离子体共振(SPR光吸收、光生载流子分离、反应物吸附活化在内的多个物理、化学过程存在复杂交错的影响,只有合适的含量及尺寸方能平衡各个过程,从而发挥出最优的光、热协同催化能力。关键词:光催化,光致热效应,协同催化,CeO2A-20人工光合成:光催化还原CO2为太阳燃料周勇南京大学环境材料与再生能源研究中心A-21不同形貌的CaTiO3微纳结构对光催化性能的影响董伟霞1,2, 赵高凌2, 顾幸勇1, 包启富11. 景德

40、镇陶瓷学院2. 浙江大学本论文通过一步水热法,在无表面活性剂或模板的条件下,制备得到了不同形貌的CaTiO3微纳结构。利用紫外-可见吸收光谱分析仪对在不同制备参数下所获得的具有不同形貌的CaTiO3微纳结构进行了光吸收、漫反射以及光催化性能的研究。揭示了不同形貌CaTiO3晶体对光学性能和光催化性能的影响。实验结果表明:尽管CaTiO3的化学组成元素与结晶度相差不大,但形貌对CaTiO3微纳结构的光学性质和光催化活性有着显著影响。独特的蝴蝶状枝晶结构由于有序排列的纳米片为入射光提供传输路径,同时光在纳米片中经过多级反射和散射的作用,因而具有较低的反射率和较高的光捕获能力。因此CaTiO3蝴蝶状

41、枝晶具有较好的光降解活性。与传统的纳米粒子相比,这种蝴蝶状枝晶因为其属于微米/纳米结构,不易团聚,且极易回收再利用。因此,可以在光催化领域有广泛的应用前景。关键词:CaTiO3, 微纳结构,光学性能,光催化性能A-22固相法合成Fe2O3/AgNbO3光催化剂及其性能研究廖润华, 王竹梅, 杜洁, 李月明, 喻徐良景德镇陶瓷学院 333403采用Nb2O5和AgNO3为前驱物进行固相法合成AgNbO3粉体,再以Fe(NO33·9H2O和AgNbO3为前驱体采用浸渍烧结法合成Fe2O3/AgNbO3复合光催化材料。由XRD分析可知此次试验合成了Fe2O3/AgNbO3复合光催化材料,并

42、且Fe的掺杂并未改变本体AgNbO3的晶型结构,由SEM分析图片可观察到合成的粉体粒径不是很均匀,粒径较大,且团聚现象出现。以实验合成的Fe2O3/AgNbO3复合光催化材料作为催化剂降解亚甲基蓝模拟废水,考察了Fe的掺杂量及煅烧温度对AgNbO3降解效果的影响。结果表明掺杂量为1wt%Fe,煅烧温度为3000C合成的催化剂在自然光下5h降解率为68.46%,汞灯下1h降解率为96.59%。关键词:AgNbO3;光催化降解;固相法A-23半导体材料光催化活性与物理性能之间的关系郝维昌, 王天民北京航空航天大学物理系 100191半导体光催化材料的活性取决于材料的物理性能和材料的结构。到目前为止

43、关于材料的物理性能与光催化活性之间的探讨还十分有限。本文拟从自旋轨道耦合、应力和电子有效质量等基本的物理特性出发,探讨半导体材料的物理性能与光催化活性之间的关联和规律。目前,我们的研究还处在把简单问题复杂化的阶段,希望通过努力,能实现在基本物理问题上建立统一的物理模型。关键词:半导体,自旋轨道耦合,应力,有效质量,光催化A-24VIII族金属纳米颗粒光热催化还原CO2欧阳述昕1, 孟宪光2, 刘乐全1, 叶金花1,21. 天津大学,材料科学与工程学院,天津大学-日本国家物质材料研究机构联合研究中心(TNJRC2. 日本国家物质材料研究机构(NIMS,环境再生材料研究部门利用太阳光及催化剂将CO

44、2还原转化既能降低温室气体CO2在大气中的浓度又能获得有机清洁燃料,是一项环境友好的能源技术1,2。而传统的光催化CO2还原方法一直面临效率低下的瓶颈。本报告介绍通过VIII族金属纳米颗粒等离子共振吸收激发的电子与金属晶格作用产生热能而诱导光热催化的方法,实现了高效的以H2为氢源的CO2还原。CO2光热催化还原的表征结果表明贵金属的Ru、Rh及非贵金属的Ni具有较高的转化效率及选择性3。我们也进一步将Ru与最受关注的Ib族等离子活性金属Au进行对比,实验及理论计算的结果表明Ru具有更好的加氢反应性能,原因可以归结为Ru吸收大部分可见光及红外光提供更高的光热反应温度、Ru对于H2具有更好的解离能

45、力。通过发展新型反应器将固定相反应改进为流动相反应,可以实现目前利用光能及H2为氢源的CO2还原的最高效率达到1.14 L/h(光照面积1.8 cm2。综上所述,VIII族金属纳米颗粒的光热催化CO2还原为CO2还原转化为有机燃料提供了一条有益途径。关键词:VIII族金属纳米颗粒,光热催化,等离子共振,CO2还原A-25Bi1-xCexVO4晶体的水热合成及其可见光催化性能刘国聪1,2, 董辉1, 韦庆敏21. 惠州学院化学工程系新材料研发和化学生物传感技术所2. 玉林师范学院化学与材料学院关键词:Bi1-xCexVO4;水热合成;光催化;靛蓝溶液A-26Bil-xCexVO4晶体的水热合成及

46、其可见光催化性能刘国聪1,董辉1,魏庆敏21.惠州学院化学工程系新材料研发和化学生物传感技术所2.玉林师范学院化学与材料学院A-27微波辅助溶胶凝胶法合成红色荧光粉及其发光性能的研究冯颖, 童义平, 文思惠州学院 516007红色荧光粉是白光LED照明应用中的一种关键发光材料,有效改善红色荧光粉的发光性能对制造出高显色指数、低色温,大功率白光LED起到重要作用。荧光粉的合成工艺是影响红粉的表面形貌和光学性能的因素之一。选择和优化合成工艺可以有效地改善荧光粉的表面形貌,从而提高荧光粉的发光性能。微波辅助溶胶凝胶法操作简单,节约了能源,降低了能耗,是一种较有前途的合成发光材料的方法。采用该法合成的

47、红粉纯度高,粒度适中,结晶完美,发光效率高,可用于被近紫外芯片InGaN激发的白光LED用荧光粉。关键词:微波辅助溶胶凝胶法,红色荧光粉,白光LEDA-28Cu2O在TiO2纳米管中的填充及其光电性能的研究杨修春, 陈超, 刘巍, 任鹏同济大学材料科学与工程学院 201804本文采用电化学阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列,研究不同电解液组成对生成TiO2纳米管形貌的影响。随后,利用脉冲电沉积技术在掺杂改性后的TiO2纳米管阵列中沉积Cu2O半导体,制备出Cu2O-TiO2纳米管阵列杂化材料。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、能量分散谱仪、X射线光电子能谱仪、紫外-可见光分光光度计和电化学

48、工作站对所制备的样品进行结构和性能表征。发现选取含1 M H3PO4、0.5 wt.% HF、1 M NaOH的水溶液作为电解液,在电压为20 V的条件下阳极氧化Ti片2 h,制得排列整齐、表面粗糙、管壁呈螺纹状的TiO2纳米管阵列。纳米管内径约为75 nm,管壁厚约为37 nm。选取含0.5 wt.% NH4F、3 vol%去离子水的乙二醇溶液作为电解质,在60 V电压下二次阳极氧化金属钛片,第一次阳极氧化1 h,第二次阳极氧化2 h,在钛表面制备出排列有序、表面光滑的TiO2纳米管阵列。纳米管内径约为110 nm,壁厚约为30 nm。采用脉冲电沉积技术在自掺杂改性的TiO2纳米管阵列中沉积

49、Cu2O半导体。研究了不同脉冲次数对样品形貌、可见光吸收和光电转化的影响。研究发现当脉冲次数为400次时,样品的沉积效果较好,可以得到最大光电流,约为290 Acm-2。关键词:阳极氧化法,TiO2纳米管阵列,Cu2O半导体,脉冲电沉积,光电性能A-29太阳能光电催化分解水系统设计及光电极材料的探索李朝升南京大学环境材料与再生能源研究中心A-30一步法合成内嵌石墨烯量子点的C3N4及光催化性质孙再成中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 130033近年来,无金属的光催化剂石墨相氮化碳(g-C3N4引起立越来越多的关注。这里我们结合石墨烯量子点的合成与g-C3N4的合成为一体,一步法合成了内嵌

50、石墨烯量子点的g-C3N4二维片层结构。通过石墨烯量子点的引入,成功地将g-C3N4的共轭长度增长,并将其吸收进一步向可见光区拓展,其带隙在一定程度上窄化。另一方面,由于石墨烯量子点具有很好的电荷传输和存储功能,高效的促进了电荷的分离,使得内迁石墨烯量子点的g-C3N4具有更高的光催化性能,其可见光(l > 420 nm产氢速率可以达到1.59mmol/(gh. 可见光响应区间可以达到600 nm。关键词:石墨烯量子点,氮化碳,可见光光催化A-31静电纺丝法结合相分离制备多孔TiO2纳米纤维刘照伟, 汤玉斐, 赵康, 张恒西安理工大学材料科学与工程学院 710048目的:TiO2光催化剂

51、具有强氧化能力、化学性能稳定和价格低廉等优点,在降解污水和净化空气方面具有十分重要的作用。TiO2纤维光催化降解效率较低,目前通过掺杂改性或增加比表面积以提高其光催化效率。多孔TiO2纳米纤维相对于普通纤维有更高的孔隙率和比表面积,从而具有更好的光催化性能。方法:本文以DMF与乙醇作为溶剂,通过静电纺丝法结合相分离制备PVP/酞酸丁酯复合纤维,煅烧以后得到了多孔TiO2纳米纤维。结果:研究了DMF与乙醇比例对于纤维形貌的影响,分析了纤维上孔形貌的影响因素,并通过光催化性能测试,得出了性能最优的多孔TiO2陶瓷纤维。结论:在DMF与乙醇为1:3时,多孔TiO2纳米纤维比表面积最大,纤维上孔的尺寸

52、集中分布区间在1525nm;在甲基橙光催化测试中,其光催化效率最高,在光催化35min后达到85.2%。关键词:静电纺丝,相分离,TiO2,多孔纤维和光催化A-32非线性光学材料中有效质量和内建电场对于载流子转移的协同作用李蒙蒙1, 戴瑛1, 马向超1, 李柱杰1, 黄柏标21. 山东大学物理学院2. 山东大学晶体材料国家重点实验室目的:揭示K3B6O10Br良好的紫外光催化活性的可能来源并进一步提高该类非线性光催化材料K3B6O10X(X=Br,Cl的光催化能力。方法:基于第一性原理计算,研究了K3B6O10X(X=Br,Cl有效质量分布和电偶极矩。结果:在K3B6O10Br中,内建电场与最

53、小的空穴有效质量均沿001方向,而电子的有效质量具有各向同性的特点。两者的协同作用推动了载流子沿001方向的有效转移,从而使得001表面载流子的积累最多,表现出最高的光催化能力。同时,由于K3B6O10Cl与K3B6O10Br具有相同的结构与带边组成,该协同作用在K3B6O10Cl中同样存在。结论:在K3B6O10X(X=Br,Cl中,内建电场和载流子本征转移能力的协同作用推动载流子转移到001表面,使得该表面表现出最高的光催化活性。关键词:有效质量;内建电场;协同作用;非线性光学材料A-33基于杂质元素分布控制的一维氧化物纳米阵列光电极设计与改性沈少华1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点

54、实验室2. 西安交通大学国际可再生能源研究中心本文以窄带隙半导体-Fe2O3和宽带隙半导体ZnO的一维纳米阵列光电极材料为研究对象,着眼于光生载流子的强化利用,通过杂质元素分布控制(扩展可见光响应和提高载流子迁移能力等改性策略提高ZnO和-Fe2O3纳米阵列薄膜光电极的光电化学分解水能力。1针对窄带隙半导体-Fe2O3光电极材料的致命缺陷载流子迁移率低和表面水氧化反应速率低,本文提出了表面浅层掺杂和体相均相掺杂的杂质元素分布调控的改性策略;发展了基于“全水溶液”过程的纳米阵列掺杂改性和核壳结构构建的新方法。利用荧光光谱、超快激光光谱和同步辐射等先进表征技术深入探索了掺杂型-Fe2O3、核壳结构

55、型-Fe2O3等光阳极材料的载流子迁移规律、光电极/电解质界面的电荷传递及表面水氧化反应机理。2针对宽带隙半导体ZnO光电极材料无法利用可见光的缺点,基于杂质元素分布调控,成功构建了选择性掺杂的同构异质结和能带梯度调控的同质结等新型“结”结构,成功实现了杂质元素分布调控对光响应特性和载流子定向传输特性的协同促进作用,获得了系列具有可见光响应的ZnO一维纳米阵列光电极材料。综上,本文提出了基于杂质元素分布控制的一维氧化物纳米阵列光电极设计与改性的新思路,通过了载流子定向迁移和可见光响应特性的耦合调控,实现了-Fe2O3和ZnO等典型氧化物光电极材料的高效光电催化分解水制氢。关键词:氧化铁、氧化锌

56、、光电极、纳米阵列A-34双界面调控下光解水光阴极的效率提高沈明荣苏州大学 215006目前报道的光解水光电极一般只考虑与溶液接触的前表面,后界面与电极接触被认为是或制备成欧姆接触,在这里,我们分别以铁电薄膜和Si光阴极为例,展示同时调控前后两个界面来提高光电极的光电转换效率。表面沉积颗粒大小均匀的Ag纳米颗粒,由于能级匹配及可见光吸收,使得光阴极特性得到显著提高;也展示了铁电自发极化反转对光电流的影响。最终,在100mW/cm2模拟太阳光及相对于Ag/AgCl零偏压下光阴极电流达到110微安/cm2,开路电压为0.76V,并表现出良好的稳定性。还提出了能带匹配模型予以解释。(2利用类似的思想

57、,我们在n型硅的背电极面采用Al掺杂形成p+层,在其前表面形成金字塔结构后采用2nm超薄Al2O3层钝化及保护,并进行Pt修饰,获得了接近10%的光电转换效率,且非常稳定。这个效率是目前稳定Si光阴极中效率比较高的。关键词:光解水光阴极;效率提高,界面调控A-35本征缺陷引起的铋基红外光催化性质荆涛1, 戴瑛1, 魏巍1, 马向超1, 黄柏标21. 山东大学物理学院2. 山东大学晶体材料国家重点实验室目的:对Bi2WO6光催化材料近红外光催化活性的机理进行研究,为实验合成新的近红外光催化材料提供理论指导。方法:通过第一性原理密度泛函方法研究Bi2MO6(M=W,Mo中本征缺陷的形成能和电子结构

58、。结果:缺陷形成能表明,在富Bi/贫O的条件下,氧空位缺陷在Bi2WO6和Bi2MoO6中更容易形成。电子结构的计算表明,氧空位能够在带隙中引入杂质态。由于其合适的位置,杂质态中的电子可以吸收近红外光跃迁到导带。不同于其它本征缺陷,氧空位产生的杂质态非常离域,有利于光生载流子的迁移和光催化反应。其次,光生电子和光生空穴能够在不同层之间分离,将抑制其复合,从而提高光催化活性。研究还表明,含氧空位的Bi2MoO6也具有类似的电子结构。结论:氧空位缺陷可导致Bi2WO6具有近红外光催活性,含氧空位的Bi2MoO6也可能具有近红外光催化活性。关键词:光催化近红外电子结构本征缺陷A-36本征缺陷引起的铋基红外光催化性质邢涛1,戴瑛1,魏巍1,马向超1,黄柏标21.山东大学物理学院2.山东大学晶体材