《光催化或热能存储功能导向的新型纳米材料可控构筑》

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利用太阳能解决全球性的能源和环境问题对人类社会的可持续发展具有重大意义。光催化材料可以将低密度的太阳能转化为高密度的化学能,同时可以直接利用太阳光降解和矿化水和空气中的污染物。相变复合材料可以实现太阳能的光热转化与存储,提高能源利用效率并开发可再生能源。因此,开展光催化或热能存储功能导向的新型纳米材料可控构筑对于利用太阳能解决环境和能源问题具有重要作用。该项目以太阳光光催化、光热转化与热能存储为应用导向,研究了一系列纳米材料的设计合成与结构调控,探讨了材料的组成-结构-性能关系,明确了材料体系不同组分之间协同效应对其性能的影响,分别揭示了材料组成和结构对光催化或热能存储性质的协同增效机理,获得了一系列具有高催化活性、高能量转化存储效率和高稳定性的纳米复合材料。主要创新点和科学价值如下:

1.新颖半导体纳米晶及其纳米异质结构的可控构筑。研究了材料形貌、比表面积、暴露晶面对光催化活性的影响,提出了通过调控纳米半导体的形貌和活性晶面提高光催化性能;进一步构建半导体异质结构和纳米复合半导体材料提高光催化效率,研究了半导体的可见光响应、光激发过程、不同半导体能带结构的合理匹配、以及光生载流子在两种半导体间的迁移规律。这些研究结果为理性调控材料结构从而获得更高光催化性能提供了科学依据。

2.金属/半导体表面等子体光催化剂的普适合成。基于金属纳米晶的局域表面等离共振(LSPR)增强半导体光催化性能,构建了贵金属/半导体纳米复合光催化剂,探索并发展了贵金属/氧化物介孔限域光催化剂的普适制备方法,实现了对材料组分、粒子尺寸、微结构的调控,有效解决了以往所报道的纳米贵金属负载过程中所出现的分布不均匀、纳米粒子易团聚等缺陷,揭示了贵金属纳米晶LSPR提高太阳光利用率、促进半导体光激发和光生载流子有效分离的作用机理。该研究成果深化了新型高效光催化剂的构筑理念,为利用新奇物理机制拓展可见光响应、提高光催化性能提供了实验基础。

3.定形相变纳米复合材料的设计制备。提出了利用无机纳米壳材和有机相变核材协同增强、优势互补,设计合成了纳米核/壳结构定形相变复合材料,研究了纳米限域体系的储-放热新规律和新原理;利用多孔和层状无机纳米材料对有机相变物质进行封装形成定形相变复合材料,制备了一系列不同组成和结构的定形相变纳米复合材料,极大提高了材料的导热性和热稳定性,并通过对材料的功能化进一步用于太阳光的高效光热转化与存储。这些研究成果为开发新型高效的定形相变复合材料用于太阳能的光热转换与存储提供了新的思路,并为实用化产品设计和性能优化提供材料基础。

截至2015年12月,该项目共发表SCI论文30篇。在平均发表时间不到4年的情况下,8篇代表性论文SCI他引共计455次,两篇入选ESI高被引论文(该领域引用次数前1%)。

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