项目名称：晶面工程调控半导体纳米晶表界面特性及机制研究

    完成单位：江西师范大学，江西科技学院

    完成人：杨勇，梁艳，徐铿，俞挺

    提名单位：南昌高新技术产业开发区管理委员会

    提名意见：该项目针对半导体纳米晶在两类典型多相催化反应（包括气敏传感反应、电催化分解水反应）过程中表面吸附反应活性不足、界面电荷转移效率低下的国际难题，创新性的通过高表面能晶面的暴露实现了几类典型半导体纳米晶（包括TiO₂, NiS₂, Co₃O₄等）表面吸附反应活性和界面电荷转移效率的综合调控，进而实现了其多相催化反应活性的全面提升。基于实验表征结合第一性原理理论计算，在原子和电子层面上阐明了其中的物理机制。本项目5篇代表性论文发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, J. catal.等国际期刊，得到了中国地质大学余家国教授、吉林大学张彤教授等人发表在Small, Nano-Micro Lett.等期刊的综述论文大篇幅引用和详细点评。经审核，报奖内容和材料属实。同意该项目推荐申请江西省自然科学奖一等奖。

    提名等级：一等

    项目简介：

本项目所属科学技术领域为表面与界面物理学。半导体纳米晶作为催化剂近年来在多相催化反应中受到了广泛关注，但其表面吸附反应活性不足、界面电荷转移效率低下等问题极大制约了它的应用。发展高效的策略实现半导体纳米晶表界面特性调控是改善其多相催化反应性能的关键。针对半导体纳米晶在两类典型多相催化反应（包括半导体气敏传感反应、电催化分解水产氢反应）过程中表面吸附反应活性不足、界面电荷转移效率低下的国际难题，依托国家自然科学基金和江西省主要学科学术和技术带头人等课题，开展了基于晶面工程调控半导体纳米晶表界面特性及机制的研究。在国际上首次通过高表面能晶面的暴露实现了TiO₂和NiS₂纳米晶对目标催化分子吸附反应活性的调控，进而分别实现了其气敏传感反应和电催化分解水产氢反应活性的全面提升，并基于实验表征结合第一性原理计算，在原子和电子层面上阐明了其中的物理机制。在此基础上，开展了基于晶面工程对异质结型半导体纳米晶表界面特性协同调控的工作，取得了一系列原创性研究成果。主要科学发现点和成果如下：

      （1）晶面工程调控半导体纳米晶表面特性：①在国际上首次系统的研究了TiO₂纳米晶气敏传感反应的“晶面效应”及其物理机制，发现了锐钛矿相TiO₂高表面能晶面（{001}和{010}晶面}）显著增强的气敏活性，围绕气体分子的吸附捕获、气敏过程中表/界面电子结构的变化及电荷转移等关键问题进行了原理和规律的探索研究，阐明了其中的物理机制；②针对目前广泛使用的过渡金属硫化物NiS₂纳米晶电催化分解水产氢活性位点不足的问题，首次从原子尺度上对NiS₂纳米晶表面暴露的晶面进行设计，实现了其电催化分解水产氢效率的大幅提升，发现了高活性晶面增强电催化性能的关键在于其丰富的表面活性位点和优异的H自由基吸附能。

   （2）晶面工程调控半导体纳米晶界面特性：以MnO₂/Co₃O₄为研究对象，开创性的探索了在异质结型纳米晶中同时控制半导体组元暴露晶面和界面的新技术，通过表界面特性的协同调控实现了异质结型半导体纳米晶气敏传感反应活性的全面提升。从表面吸附特性、异质界面电荷转移特性两个角度构建了模拟机制，建立了异质结型半导体纳米晶表界面特性与其气敏传感反应性能的关联性。

本项目5篇代表性论文发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, Sens. Actuators B. Chem., J. catal.等国际期刊，累计引用209次（其中单篇最高引用100次），得到了中国地质大学余家国教授、吉林大学张彤教授等人发表在Small, Nano-Micro Lett.等期刊的综述论文大篇幅引用和高度评价。培养江西省 “双千计划”科技创新高端人才1人、江西省主要学科学术和技术带头人—青年人才2人、江西省杰青1人。

    提名该项目为江西省自然科学奖一等奖。

    完成人（完成单位）情况：

        1. 杨勇，江西师范大学教授，第一完成人，项目负责人。负责项目总体方案设计，提出并组织开展了通过晶面工程调控半导体纳米晶表界面特性及其多相催化性能的研究，对主要创新点一、二做出实质性贡献。

        2. 梁艳，江西科技学院讲师，第二完成人，项目主要完成人之一。负责表面活性剂诱导水热合成技术方案的设计及相关材料表征数据的分析，对主要创新点一、二做出实质性贡献。

       3. 徐铿，江西师范大学副教授，第三完成人，项目主要完成人之一。负责气体传感和电催化性能测试装置的搭建及相关机理的分析，对主要创新点一、二做出实质性贡献。

       4. 俞挺，江西师范大学副研究员，第四完成人，项目主要完成人之一。负责理论计算相关数据的分析工作，对主要创新点一、二做出实质性贡献。

    代表性论文专著目录：

1. Yong Yang*, Yan Liang, Guozhong Wang, Liangliang Liu, Cailei Yuan, Ting Yu, Qinliang Li, Fanyan Zeng, Gang Gu*, Enhanced gas sensing properties of the hierarchical TiO₂ hollow microspheres with exposed high-energy {001} crystal facets, ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 7, 24902-24908.

2. Yan Liang, Yong Yang*, Hang Zhou, Chengwu Zou, Keng Xu, Xingfang Luo, Ting Yu, Wen Zhang, Yanting Liu, Cailei Yuan*, A systematic study on the crystal facets-dependent gas sensing properties of anatase TiO₂ with designed {010}, {101} and {001} facets, Ceramics International 2019, 45, 6282-6290.

3. Yan Liang, Yong Yang*, Keng Xu, Ting Yu, Shenman Yao, Qi Peng, Cailei Yuan*, Crystal plane dependent electrocatalytic performance of NiS₂ nanocrystals for hydrogen evolution reaction, Journal of Catalysis 2020, 381, 63-69.

4. Yong Yang*, Yan Liang, Manman Guo, Ting Yu, Keng Xu*, Linhui Lu, Cailei Yuan*, Controllable synthesis of one-dimensional NiS₂ nanotube and nanorod arrays on nickel foams for efficient electrocatalytic water splitting, International Journal of Hydrogen Energy 2021, 46, 50-60.

5. Yan Liang, Yong Yang*, Keng Xu, Ting Yu, Qi Peng, Shenman Yao, Cailei Yuan*, Controllable preparation of faceted Co₃O₄ nanocrystals@MnO₂ nanowires shish-kebab structures with enhanced triethylamine sensing performance, Sensors and Actuators B: Chemical 2020, 304, 127358.

     

   该项目拟申报2024年度江西省科学技术奖，特予公示。公示期：2024年12月4日至2024年12月10日，公示期内如对公示内容有异议，请与科研处（学科办）反映。

     联系人：孙老师

     联系电话：88136047

 

                              科研处（学科办）

                              2024年12月4日