金属-氧化物复合纳米材料的晶面协同作用及其在光催化中的应用

摘要

设计新的光催化剂以提高太阳能转换效率是解决目前日益严峻的能源危机和环境问题的有效途径之一。作为一种极具应用前景的材料，金属-氧化物复合纳米材料被认为是一种性能优良的光催化剂，因为该结构能有效地抑制电子和空穴的复合。现阶段，优化金属-氧化物复合结构催化性能主要是通过调控金属种类、半导体种类、粒子尺寸、负载量、微观结构等手段来实现。尽管人们在提高光催化性能方面已取得了一些进步，然而，目前光催化剂的较低效率尚不能满足实际应用的要求。因此，从基础研究和实际应用考虑，亟需寻找一些新的催化机制或者新的重要参数来提高催化效率。 本论文中，我们从金属-氧化物复合光催化剂中很少被人关注的可能影响因素——晶面着手，研究了晶面对复合纳米材料的光催化性能的影响。主要工作如下： 1 在Co3O4晶体上实现金属纳米颗粒的晶面选择性沉积。通过光辅助沉积的方法，将金属纳米颗粒选择性地沉积在Co3O4{111}晶面上。进一步探究表明，该选择性沉积的驱动力来源于晶面间的电子-空穴的分离。Au 与 Co3O4界面处形成的肖特基势垒，进一步促进了电荷的空间分离，从而提高了Co3O4材料在光解水产氧反应中的光催化效率。 2 以 Pd-TiO2为例，我们首先通过第一性原理模拟预测，当 TiO2的(001)与Pd 的(100)复合晶面时，Pd 纳米颗粒的光催化性能将会被显著提高。通过构建Pd-TiO2复合纳米结构，我们发现：相比于其他结构，暴露(100)晶面的Pd立方体与暴露(001)晶面的TiO2纳米片组建的复合材料在O2分子氧化反应中表现出最高的光催化活性。此结果从实验角度证实了之前的理论预测。该工作表明，金属纳米颗粒与氧化物载体间存在晶面协同效应，其可作为一个新的调控参数，对提高复合光催化剂的性能起着重要作用。