光电材料设计与合成研究所

一、主要研究方向和研究内容

1. 第一性原理计算设计材料结构：通过高能量计算设计发光材料、光吸收材料和光催化材料、光电子材料和热电材料。探索包括溶剂效应和光吸收性质的光催化剂材料结构与产氢率的联系、发展太阳能转氢率计算方法，为设计海水分解产氢光催化剂材料结构提供理论基础。建立包括溶剂效应的太阳光催化水解产氢过程中催化剂（主要针对一维和二维材料）几何结构、电子结构特征与产氢率关系的模型，并实现相应的电子结构特性、光学性质和光催化性质的第一性原理计算，重点是溶剂效应和太阳能转氢率计算方法。目前大多数报道的工作都没有考虑溶剂效应，但光催化水解制氢都是发生在水溶液中，尤其是海水的成份复杂，溶剂效应对析氢反应有实质性影响。因此通过溶剂效应模拟可以考察光催化剂对海水的适应性，甚至利用溶剂效应提升催化效率。对过电位与转氢率定量关系方面已有研究，但光吸收的影响因素未加考虑，导致理论计算效率明显过高、预测结果对实验制备候选物选择的指导性不强。在这方面本项目主要解决单一依靠过电位计算转氢率的局限性问题，在考虑光催化剂的光吸收能力的基础上发展能够全面反映催化剂结构和环境因素的太阳能转氢率计算方法，尤其是各向异性真空能级体系的一维纳米带和二维多层及异质结材料的光催化水解析氢方案和相应的太阳能转氢率计算方法，从而准确评价光催化剂的性能，为通过高通量计算和机器学习方法设计和筛选高效光催化水解产氢提供理论依据，从而为实验制备相应材料提供候选物结构。

2.探索光催化水解制氢的新机理，设计高太阳能转氢率催化剂，并通过非绝热动力学研究光电子行为。单一真空能级的光催化剂导致带隙和过电位间相互制约，理论转氢率不能超过18%。本项目探索通过真空能级工程破除真空能级与带隙的相互约束，调控光催化剂带边的氧化势和还原势来获得大的过电位的同时带隙减小、增加对太阳能的吸收，从而提高转氢率。主要设计具有本征电场的特殊结构单层或异质结来构建各向异性的真空能级，特别是对于一维纳米带结构，在不同方向上可能会出现四个不同的真空能级，各个真空能级都可能作用到价带边和导带边，使光催化水解产氢反应变得非常复杂。此时催化剂的电子结构性质与产氢率的关系也非常复杂，但也给真空能级工程提供了可能性。我们将通过建立可能的催化方案，再通过带边电势、带边电荷在催化剂上的空间分布和内建电场方向等要素筛选可行方案，再利用研究内容（1）发展的方法进行太阳能转氢率计算和分析。确认所设计结构的光催化性能。同时，应变工程和异质结层间距也能大幅调控转氢率。本项目也探索通过这两方面机理提升转氢率的可能性，为制备高转氢率光催化剂提供多种方案。

通过非绝热动力学模拟计算，研究光电子的寿命及质子还原产氢的过程，通过动力学过程演化证实光催化水分解析氢的机理和出现高转氢率的机制。并通过析氢反应的自由能变化的计算从热力学角度确认其可行性。

3. 高温合成光电材料：合成新能源相关材料,优化低维光催化材料制备和表征方法，确认所设计光催化剂结构是否符合设计要求，通过单分子光谱测量和瞬态吸收光谱研究所制备材料的光电子行为。真空能级工程等机理设计的结构可以获得远高于18%的太阳能转氢率，但对材料的几何结构有严格的要求。特别是异质结材料，对应变强度和层间距都需要严格控制，因此对制备方法有很高的要求。尤其是应变调控的难度很大，更为重要的是，这种调控不是单向增加转氢率，也有可能降低转氢率，至少要在制备中避免结构设计中已经指出的降低转氢率的应变。本团队实验制备小组已经在块体材料、二维材料和量子点制备方面形成了比较成熟的方法。基于脉冲激光沉积（PLD）和高温合成等方法实现了多种半导体材料的制备。对所制备材料的结构优化也有一定的基础。但是，以前制备的材料主要为了研究其发光性能，掌握的控制结构的制备参数主要是针对这类材料。对于本项目模拟确定的可见光催化材料的结构，需要对原有制备方法发展完善。量子点等低维材料制备是项目组近年建成的化学制备方法系统，主要是针对发光量子点制备，需要设计新的制备方案才能制备低维光催化材料。本项目主要集中在提升对制备过程的控制、能够比较准确地制备出所设计的材料结构。

4. 材料激发态观察、表征与测量, 利用单分子光谱测量和瞬态吸收光谱方法研究所制备材料的光吸收和光电子激发的动力学机制，理解和确认光催化剂分解水转氢的机理，对改进结构设计方案提供实验依据。本项目组自搭建的单分子光谱测量系统可以测量材料吸收和发射谱峰的微小移动，非常适合用于研究材料对光源和环境的敏感变化。但是目前的系统只能在自然条件下测量，不能反应光源对样品性质的影响，需要进一步改进光源控制系统和样品承载系统，才能适合研究光催化海水分解产氢的分析。利用瞬态吸收光谱测量方法表征所制备的材料光电子的寿命等与产氢能力相关的微观量，揭示光催化的动力学过程和反应机理。利用瞬态吸收光谱仪，研究光催化剂的光电子激发态，并与非绝热动力学模拟结果相互印证。

研究所制备催化剂的产氢性能和对海水的适应性，探索所设计的材料在实际应用到光催化分解海水析氢时的条件。发展通过光吸收和产氢量的测量确定太阳能转氢率的方法。测量所制备光催化剂催化纯净水分解析的产氢率测试的基础上，再从山东半岛周边海域4-5个位置提取海水，进行简单的过滤处理，排除海水中的物理杂质，进行光催化析氢能力测试，研究光催化剂对海水适应性。

二、人才团队情况

团队成立于 2016 年 1 月,目前有固定成员6人（其中教授2人、副教授4人,讲师1人），在读博士研究生2人、硕士研究生18人。

学术带头人情况：杨传路教授2016年被聘为泰山学者特聘专家，获得国家自然科学基金面上项目资助6项，成果获得山东省自然科学奖一等1项、二等奖3项，指导研究生获得山东省优秀研究生科技创新成果奖5项、山东省优秀硕士学位论文7篇。

徐钦峰教授主持完成国家自然科学基金青年基金项目，中国博士后特别资助项目，山东省优秀青年基金和山东省自然基金面上项目等8项国家级和省部级课题，发表论文50多篇申请国家发明专利6项。

团队成员及近年成果情况：

1. 徐钦峰，博士，物理与光电工程学院教授，获得山东省高等学校科学技术二等奖1项，获得授权发明专利1项，发表学术论文二区2篇。

2. 赵文凯，博士，物理与光电工程学院副教授，主持国家自然科学基金青年项目1项，发表学术论文6篇，其中一区1篇，二区1篇。

3. 孙兆鹏，博士，物理与光电工程学院副教授，主持国家自然科学基金青年项目1项，发表学术论文5篇，其中二区3篇。

4. 焦蒙蒙，博士，物理与光电工程学院副教授，主持国家自然科学基金青年项目1项，获得授权发明专利1项，发表学术论文7篇，其中一区1篇，二区5篇。

5. 邹冬青，博士，物理与光电工程学院副教授，主持国家自然科学基金青年项目1项，发表学术论文二区2篇。

6. 李晓腾，博士，物理与光电工程学院讲师，主持国家自然科学基金青年项目1项。