[00332872]光/电催化材料的表界面结构调控

本项目属于材料科学与工程领域。 光/电催化材料是制造清洁燃料、治理环境污染和开发新型传感器的重要功能材料,已成为国家重要需求的关键基础性新材料。调控表界面结构可以优化光/电催化材料的能带结构和反应活性位点,直接影响催化反应的热力学和动力学进程,有利于提升使用性能。然而,当前关于光/电催化材料的表界面调控研究仍缺乏系统的理论指导和普适性的技术支撑。因此,发展表界面结构多元调控（包括：晶面指数、活性位点、载流子分离与输运等）的基本原理和方法,不仅是光/电催化材料的基础研究前沿方向,也是加快我国催化材料关键技术发展的重大需求。本项目在国家自然科学基金等项目的资助下,针对光/电催化材料表界面调控技术领域存在的关键科学问题和技术难点,围绕制备科学、调控原理和性能强化机制等应用基础理论开展研究,取得了以下创新性成果： 1、实现了无机金属氧化物表面调控的科学创新,制备出了新型多面体Cu2O单晶体和ZnO介观晶体光催化材料 揭示了多面体Cu2O单晶体的高指数晶面生长机制,据此机制指导,制备出了晶面指数可控的一系列多面体Cu2O单晶体,明确了高指数晶面以及由不同晶面组成的异面结在增强光催化性能方面的调控作用规律。发现并提出了水分子对ZnO介观晶体的调控新机制,合成出了全新的ZnO介观晶体异面结光催化材料。将ZnO光催化剂及配套光催化技术率先运用于湿法炼锌生产实践,推动了行业技术革新与进步,具有行业示范作用。研究成果被多伦多大学Geoffrey A. Ozin教授和南京工业大学陈虹宇教授等国际著名学者引用与积极评价。 2、实现了有机聚合物表面调控的科学创新,发现了g-C3N4光催化材料表面结构的调控新方法 提出了“改性聚氰胺前驱体有利于调控g-C3N4表面结构”的新观点,并验证了该策略的普适性,制备出了一系列掺杂型超薄g-C3N4纳米片、多孔超薄g-C3N4纳米片以及掺杂型多孔超薄g-C3N4纳米片,实现了高比表面积和结构缺陷增强光催化性能的协同效应,揭示了光生载流子的传输和分离规律,为进一步实现g-C3N4基复合材料的表面和界面协同调控提供了新思路。研究成果被德国马普所Markus Antonietti教授和武汉理工大学余家国教授（欧洲科学院院士）等国际著名学者引用与积极评价。 3、实现了复合材料界面调控的科学创新,开发了Cu2O基和Cu基光/电催化材料高活性界面的调控新技术 根据Cu2O表面结构的物理化学特性,提出了基于晶面工程调控界面结构新策略,制备出了新型CuO/Cu2O和金属/Cu2O复合材料,揭示了界面结构的晶面依赖效应以及界面诱导内建电场在增强光/电催化性能方面的调控作用规律。同时,开发了一系列Cu基异质核壳多孔复合材料,阐明了多孔/核壳结构的构筑机理及其对电催化性能的增强机制,实现了Cu基异质多孔催化剂的结构功能一体化设计,为高性能复合催化材料的研制开辟了新途径。研究成果被德累斯顿工业大学首席教授冯新亮（欧洲科学院院士）和天津理工大学丁轶教授等国际著名学者引用与积极评价。 以上研究成果发表在Progress in Materials Science、Nanoscale、Chemical Communications、Journal of Materials Chemistry A、Biosensors and Bioelectronics、Sensors and actuators B-Chemical和《中国科学:技术科学（英文版）》等国际国内著名期刊,授权国家发明专利5项。代表作被众多著名学者在Nature Catalysis、Progress in Materials Science、Angewandte Chemie International Edition和Advanced Materials等期刊论文积极评价,SCI他引373次,1篇代表性论文入选ESI高被引论文。项目组为Progress in Materials Science、Nanoscale、Chemical Communications和Journal of Materials Chemistry A等重要期刊撰写了多篇综述论文。项目执行期间,培养陕西省“**”特聘专家2人,陕西省杰青1人,陕西省高校青年杰出人才1人,在光/电催化材料领域产生了重要的学术影响。