中國科大光催化復合材料設計取得系列進展

發布時間：2014-09-01 11:19 原文鏈接：中國科大光催化復合材料設計取得系列進展

　　近日，中國科學技術大學熊宇杰教授課題組，通過與江俊教授和張群副教授在材料設計與合成、理論模擬和先進表征中的“三位一體化”合作，在光催化復合材料設計方面取得系列進展，最新研究進展發表在7月23日出版的Advanced Materials 上。兩篇論文分別被期刊以內封面和內封底的形式加以介紹，這兩項工作的共同第一作者分別是博士生柏嵩和葛晶、李睿和胡嘉華。

　　眾所周知，功能材料的開發及應用發展到現階段遇到了嚴重的瓶頸，單一材料體系已無法突破性能上的限制并滿足應用領域的需求。每種特定的材料一般都具有某方面獨特的性能及優勢，材料的復合是突破單一材料性能瓶頸的有效途徑，并有望通過復合單元間的協同作用增強各自的性能（即1 + 1 > 2）。具體到光催化體系，復合材料中不同的組成單元可以扮演產生及分離電荷、吸附活化分子等各種重要角色。然而事實上，復合材料的性能往往很難實現組成單元各自性能的疊加，其關鍵瓶頸在于復合材料體系界面的結構調控十分困難，導致光生電荷在界面上的嚴重復合和極大浪費。

　　研究人員針對該瓶頸，設計出一系列界面可控的復合結構體系。例如，首次提出了半導體-金屬-石墨烯疊層結構，其單晶界面在一定程度上解決了界面上電子-空穴復合的問題，可以很好地利用半導體和金屬間的肖特基勢壘提高半導體光生電子-空穴對分離，從而在光催化產氫方面展現出明顯改善的性能。另一方面，針對特定氣相光催化反應中氣體分子難以同步捕捉的問題，設計了一類金屬有機骨架（MOF）-半導體核殼結構，半導體中的光生電子可以有效地傳遞給MOF內核并具有很長的激子壽命，而吸附在MOF內核上的二氧化碳分子則在得到光生電子后定向轉化為甲烷，從而提高了二氧化碳轉化燃料反應的活性和選擇性。在研究中，超快光譜和動力學表征以及理論模擬皆證實所設計復合材料體系的光催化優越性，并揭示了微觀作用機理。該系列研究進展有助于加深人們對復合結構材料中光生電荷行為和機制的認識，也對復合結構光催化劑的理性設計具有重要推動作用。

　　上述研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金、國家青年千人計劃、中科院百人計劃、中科院先導專項、中國科大重要方向項目培育基金等項目的資助。