中文摘要：

"太阳能-化学能转化机理研究"是"太阳能光催化制氢与CO2转化耦合研究"的子课题。本项目拟开展太阳能非均相光催化制氢与CO2转化耦合的微观机理研究。该反应的本质是光生载流子在界面上发生的氧化还原反应，对该反应的有效调控的关键是通过对催化剂能带结构及表面结构的设计实现光生载流子在时间和空间尺度内的高效电荷分离，并通过空穴对水分子进行氧化，电子对CO2进行还原。 总体上看，太阳能光解水制氢与CO2转化的耦合过程是电子和质子协同转移的偶联反应，在很大的时间跨度内有效地遏制光生载流子的复合，并与相应的界面化学反应实现时间尺度内的匹配是提高反应效率的关键步骤。本项目拟采用不同时间尺度的时间分辨光谱为主要研究手段，结合光催化材料的设计，揭示光生载流子产生、弛豫及迁移等过程的物理规律，研究实现光生载流子高效电荷分离的关键因素及可能途径，揭示光催化界面反应动力学的时空特性，为新型高效光催化的设计提供依据。

结论摘要：

本项目在执行期间，应用时间分辨中红外光谱开展了典型光催化材料TiO2半导体的光生载流子电荷复合、迁移及反应动力学的机理研究，时间尺度涵盖飞秒到毫秒。在排除电荷复合热效应导致对光生电载流子动力学测量的基础上，发展了一种能够系统表征半导体纳米材料能隙中间态能级的光学新方法，即中间能级激发扫描-光生载流子时间分辨中红外探测的时间分辨红外吸收-扫描激发谱。利用该方法区分了TiO2表面缺陷态及体相缺陷态的特征吸收光谱，确定了金红石和锐钛相表面缺陷态的差异，确定了金红石和锐钛相的能带排列，发现两者导带对齐，价带金红石比锐钛高0.2eV。并提出了光生电子在两相中迁移方向判定的动力学判据，预测了不同条件下，包括晶粒大小；表面化学反应，光生电子的迁移方向，并获得了实验验证，从而解决了该领域数长期以来悬而未决的基本问题，为高效光催化剂的设计提供了新的思路. 同时，上述表征中间体能隙的方法还被成功地用于非TiO2体系如与第一课题组合作，表征了Ta3N5的能隙中间态能级。另外还开展了石墨烯包覆SiC颗粒异质结复合物裂解水制氢的研究，我们研制的石墨烯包覆SiC颗粒的复合材料除了在有机物降解应用方面显示出优异的性能外，其在裂解水产氢的氧化还原反应中亦展露出潜在的应用前景。