信息来源： 暂无 发布日期: 2014-10-30 浏览次数:

张金水，男，福州大学化学学院，物理化学专业博士研究生，宝钢优秀学生奖、卢嘉锡优秀研究生奖、研究生国家奖学金获得者，福州大学2013届优秀毕业生。

学习及工作简历：

Ø  2013.10～至今，在美国橡树岭国家实验室(ORNL)从事博士后研究，指导老师Prof. Sheng Dai

Ø  2007.07～2013.07，就读于福州大学光催化研究所，硕博连读，指导老师王心晨教授

Ø  2010.07-2012.03，在德国马普协会胶体与界面研究所(MPIKG)进行交流学习，指导老师   Prof. Xinchen Wang 和Prof. Makus Antonietti

Ø  2003.07-2007.09，就读于福州大学化学基地班，指导老师孙建军教授

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主要研究领域及学术成果（截止2014年10月）：

在博士期间，主要围绕《石墨相氮化碳(g-C₃N₄)光催化剂的分子设计及结构调控》深入、系统地开展研究工作，分别从催化剂的热聚合过程优化、分子结构设计、纳米结构调控和异质结构构筑等四个方面进行改性研究，以提高其太阳能光催化的转化效率。迄今为止，已发表SCI论文25篇，SCI引用超过1100次, H指数17；第一作者论文11篇，包括3篇Angew. Chem. Int. Ed.、1篇Adv. Mater.、1篇Energy Environ. Sci.等，累计影响因子达到100。其中，2011年发表在Energy Environ. Sci.的论文被评选为“2011年中国百篇最具影响国际学术论文”; 2012年春发表在Angew. Chem. Int. Ed.的研究工作被Nature China Highlight；2012年秋发表Angew.Chem. Int. Ed. 的研究工作被选为HOTPaper；2014年发表在Adv. Mater.的文章被MaterialsViewsHighlight。

代表性的研究成果：

(1)     g-C₃N₄光催化剂的热聚合过程优化

针对传统的高温热聚合法中存在的传质作用差、热传递不均匀和脱氨缩聚难等问题，我们选择含硫酸性物质硫单质和三聚硫氰酸作为反应“介质”和前驱物，化学调控g-C₃N₄的热聚合过程，得到结构缺陷少、聚合度较高的CN-S和CNS光催化剂。研究表明，硫介质调控可以显著优化催化的晶体结构和能带结构，增大g-C₃N₄（002）晶面的层间距和提高光生空穴的氧化能力，对提高其光催化活性，特别是光解水产氧活性具有重要的意义。相关研究工作发表在Energy Environ. Sci., 2011, 4, 675 (IF:15.490)和ACSCatal., 2012, 2, 940 (IF:7.572)。

图1、传统方法与硫介质调控方法所制备样品的形貌特征(CN vs. CN-S and CNS)。

(2)     g-C₃N₄光催化剂的分子结构设计

针对七嗪结构单元中π共轭体系拓展不充分、导电能力差、激子结合能高等问题，我们选择巴比妥酸、二氨基苯甲腈等有机单体与二聚氰胺发生共聚合反应制备了CNB和CN-ABN，在分子水平和微观尺寸上设计催化剂的分子结构、优化其化学组成，实现对g-C₃N₄光催化剂的能带结构、表面结构、光吸收性能等有效调控，显著提高其光解水产氢活性。在此基础上，我们借助胺基和氰基的亲电/亲核进攻，设计了一系列有机聚合单体，把特定的有机官能团，如萘、吡啶、噻吩、喹啉嫁接到g-C₃N₄的骨架中，连续可控地调整催化剂的π共轭体系，制备出一系列性能优良的g-C₃N₄基光催化剂，建立起g-C₃N₄基可见光响应聚合物半导体的设计方法。相关研究工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 441; Angew. Chem. Int. Ed.2012, 51, 3183 (IF:11.336); J. Catal. 2014, 310, 24 (IF:6.073)。

图2、分子调控原理示意图。

(3)     g-C₃N₄纳米光催化剂的结构优化

针对传统制备方法中存在的前驱物注入困难、难以润湿模板剂和纳米结构严重坍塌等问题，我们将模板剂表面酸化和“真空-超声波”灌注技术相结合，有效优化g-C₃N₄纳米光催化剂的制备工艺，制备出结构稳定、比表面积大、孔道排列高度有序的SBA-15型ompg-CN纳米光催化剂。在455 nm 单色光下，其光催化产氢量子效率达到6.77 %，是传统方法制备样品的2.3倍。在此基础上，我们选择KCC-1为模板剂，构筑了表面结构高度“敞开”、纳米结构高度稳定的NS-g-C₃N₄，显著改善多相光催化反应中的传质扩散过程和促进光生载流子的快速分离和界面迁移，从而使其光解水产氢量子效率达到9.6 %。相关研究工作发表在Adv. Funct.Mater.2013, 23,3008 (IF: 10.439);Adv. Mater. 2014, 26, 4121(IF:15.409)。

图3、传统方法与改进方法的示意图。

(4)     g-C₃N₄基异质结高效光催化剂的构筑

首先，选择p型半导体Co₃O₄纳米颗粒与CNS自组装合成Co₃O₄/CNS“p-n结”产氧光催化剂。一方面，利用Co₃O₄优异的产氧助催化性能，改善催化剂表面反应动力学过程，降低H₂O的氧化过电位；另一方面，利用“p-n”异质结构使光生空穴定向迁移到Co₃O₄上，参与H₂O的光催化氧化，有效抑制g-C₃N₄的光催化自分解反应和提高光生载流子的分离效率。二者共同作用，使Co₃O₄/CNS可见光产氧量子效率达到1.1 %（420 nm）。

此外，受TiO₂表面异相结的启发，利用CN与CNS间～0.2 V的费米能级差，通过表面嫁接热处理工艺，制备了“CN/CNS”聚合物异质结光催化剂。在表面内建电场的作用下，光生电子定向迁移到CNS，光生空穴则聚集在CN上，在空间上使光生电子和空穴得到有效分离，显著抑制光生载流子的复合并延长其寿命，对提高g-C₃N₄光催化性能的提高具有重要的意义。以CNS-CN样品为例，其光解水产氢速率与CN相比提高了11倍，并且表现出优异的活性稳定性。相关研究工作发表在Chem. Sci. 2012, 3, 443(IF: 8.601); Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10145(IF:11.336)

图4、氮化碳基异质结光催化剂