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对光催化剂而言,将金属助催化剂与半导体的复合是一个有效的方法来提高光催化剂将太阳能转换为化学能的效率。一方面,金属助催化剂可以抽取半导体的电子,有效阻止电子-空穴的分离,另一方面,金属助催化剂作为反应的高活性位点,促进催化剂表面还原反应的进行。本文主要是通过对金属助催化剂的表面与界面进行设计来提高光催化剂在光解水产氢和光催化还原二氧化碳(CO2)两方面的光催化效率。我们通过在半导体与金属催化剂的表面与界面设计中选择适合的二维金属纳米片作为助催化剂,通过高的表面面积和界面面积实现高的光催化性能。通过用金属氢化物作为理想的助催化剂,实现了将CO2还原成碳氢化合物的高性能光催化剂。通过对金属助催化剂的晶界(GB)进行设计来提高光催化还原二氧化碳的性能。所研究的具体内容如下:1、通过以超薄的钯(Pd)纳米片作为助催化剂和等离子体激元,与二氧化钛(TiO2)半导体纳米片复合,分别用于紫外光和可见-近红外光谱范围的光催化产氢。因其独特的二维材料(2D)纳米结构,Pd纳米片作为助催化剂,能使TiO2-Pd复合光催化剂拥有大的界面面积,有利于电子传输,以及Pd纳米片大的暴露面积有利于还原反应的进行;同时等离子体Pd纳米片能拓宽光的响应范围,提供了强的可见-近红外光吸收用于热电子的产生,以及大的界面面积有利于热电子的反向注入。因此,在两种光照下,与三维的Pd纳米四面体相比,Pd纳米片能提高光催化的活性。2、通过对钯(Pd)助催化剂进行氢化处理,使其变成β-相钯氢化物(PdH0.43),这样可以大大的促进CO2光催化还原成甲烷(CH4)。首先,在TiO2纳米片上原位生长立方体和四面体的Pd纳米晶体,然后通过一个简单的溶剂热处理方法使其各自转换成PdH0.43纳米立方体和纳米四面体。已发现氢掺杂可以改变电子结构和提高Pd捕获光生电子的能力。另一方面,晶格膨胀的PdH0.43助催化剂,能吸附在光催化反应期间产生的H2。同时PdH0.43助催化剂表面通过氢化过程得到的氢原子可以加速CO2向CH4的转换。因此,与Pd相比,对应的PdH0.43助催化剂不仅促进电子-空穴对的分离和延长载流子寿命,而且能提高CH4的产率,同时减少氢气(H2)和一氧化碳(CO)的生成。3、通过金属助催化剂的晶界(GBs)设计来促进还原二氧化碳的光催化性能。在这个工作中,金属(铑(Rh)和Pd)纳米线拥有高的晶界密度,可以作为助催化剂将其负载在二氧化钛纳米片上,与相应的没有晶界的金属纳米颗粒相比较,晶界密度高的金属纳米线的负载能有效地减少氢气的产生,大大地增强光催化二氧化碳还原的性能。促进性能提高的因素,主要有两方面:(1)纳米线结构能使界面处的电子更容易的从二氧化钛转移到金属助催化剂;(2)金属助催化剂表面的晶界连接处是用于二氧化碳还原的催化活性位点。这个工作强调了对助催化剂合理的结构设计有助于增强光催化性能。