光催化是利用太阳能的一种新技术。它不仅可以直接分解水、环境中的有毒有害物质，还可以直接将太阳能转化为电能与化学能(如氢能)等清洁能源。 对于从根本上解决环境污染和能源短缺等问题具有重要意义。光催化研究的关键问题之一是发展能够在太阳光下高效工作的稳定、低成本半导体光催化材料。然而， 当前稳定的光催化材料普遍面临光谱响应范围窄和光生电子空穴复合几率高两大瓶颈。
最近，我室先进炭材料研究部与澳大利亚昆士兰大学功能纳米材料中心合作在氧化钛基和氧化锌基光催化材料中以掺杂剂组态和分布控制、高活性晶面生长和新型电子空穴转移机制等三个重要方向为研究切入点，取得了一系列进展。
1. 掺杂剂组态和分布控制的光催化材料。
掺杂能否改变氧化钛的本征带隙这一关键问题在过去的相关研究中一直悬而未决，课题组系统研究了掺杂剂组态与分布对氧化钛基光催化材料电子结 构的作用机制，证实掺杂原子的分布是决定掺杂剂能否改变半导体光催化材料本征带隙的根本因素。在掺杂剂组态方面的研究中，发现在TiO2表 面无论控制不同异质原子成键（B-N键）还是控制异质原子的不同键合组态（I-O-I&I-O-Ti），都只能引入可见光吸收肩膀而不能改变本征 光吸收边（Angewandte Chemie International Edition 2008, 47, 4516-4520; Journal of Physical Chemistry C 2009, 113, 12317-12324; Journal of Materials Chemistry 2009, 19, 2822-2829)。在掺杂剂原子的分布研究中，发现在纤铁矿结构的层状钛酸盐中实现均相氮掺杂可获得具有带对带可见光光子激发特性，使其吸收阈值从 356nm红移至472nm(图1，Chemistry of Materials 2009, 21, 1266-1274.)。该结果将光催化领域有关掺杂诱导可见光吸收的起源和掺杂能否改变氧化钛的本征带隙两个争论已久的问题统一起来考虑，是对掺杂光催 化材料的新认识，这个具有普遍性的认识可指导发展基于掺杂的高效光催化材料。
图1 均相氮掺杂诱导的带对带可见光光子激发
2. 具有可见光响应的富含高活性(001)晶面的锐钛矿氧化钛
课题组与逯高清教授研究组合作制备出具有高比例(001)晶面的锐钛矿氧化钛单晶(合作论文已分别发表在Nature 2008, 453, 638-641.和Journal of the American Chemical Society 2009, 131, 4078–4083.)。在此基础上又提出“掺杂剂前驱体与氧化钛前驱体合二为一”的思路来制备富含(001)活性面的掺杂TiO2， 获得了具有可见光响应的氮、硫等掺杂的富含高活性面(001)的锐钛矿氧化钛(图2，Journal of the American Chemical Society 2009, 131, 12868-12869)。该工作首次集成非金属掺杂与富含(001)活性面于一体，极大地改进了TiO2的可见光催化活性。
图2 具有可见光响应的富含(001)晶面的氮掺杂锐钛矿氧化钛
3. 具有直接Z机制的高效光解水制氢复合体系。
设计出一种基于直接Z 机制的ZnO-CdS异质结构，该结构通过在CdS-ZnO 固体界面处将较低电势的ZnO 导带电子和较高电势的CdS 价带空穴直接复合，使得具有更高电势的CdS 导带电子和更低电势的ZnO 空穴分别得以保存 (图3，Chem. Commun. 3452-3454, 2009)。在模拟太阳光照射下ZnO-CdS结构的产氢速率为1805 μmol h-1 g-1，分别是单一ZnO 和CdS 产氢速率的40 和14 倍。这种氧-硫金属化合物异质结的构建方法为建立新型的光催化分解水体系提供了非常重要的理论和实验基础。
图3 具有直接Z机制的ZnO-CdS异质结构中电子空穴复合和转移过程
由于课题组在上述光催化材料方面开展了比较系统和有特色的研究，最近应英国皇家化学学会主办的J. Mater. Chem.杂志邀请撰写了Feature Article (2009, 19, DOI: 10.1039/B909930A)。
沈阳材料科学国家(联合)实验室供稿