高指数晶面裸露的空心金属氧化物微纳米晶的构筑及光催化性能研究

The nature of photocatalysis is the interfacial oxidation-reduction reaction between the photo-generated electrons/holes and target molecules. The proportion of surface active sites and specific surface area of photocatalysts are two key factors to affect the photocatalytic efficiency. Compared with low-index facets, high-index facets have high density of surface active sites, and therefore exhibits higher photocatalytic activity. However, metal oxides with exposed high-index facets usually have smaller specific surface area and low light capture efficiency, which reduce photocatalytic activity. Therefore, it is necessary to increase the specific surface area of photocatalyst to improve their photocatalytic efficiency. Hollow structures have two important characteristics: high surface area and light capture efficiency. However, most of the hollow structures expose without high-index crystal facets, which reduce the percentage of surface active sites, and then affect photocatalytic efficiency. In this project, we aim to synthesize hollow metal oxide micro-nanoparticles with exposed high-index facets by surface modification and directed chemical etching route, which can not only improve the proportion of surface active sites, but also increase surface area, thus further improve its photocatalytic efficiency. Base on the above exploration, we want to build new methods to synthesize hollow metal oxides micro-nanoparticles with exposed high-index facets, and to summarize their structure-catalytic activity relationship, which will provide a new way to design new catalysts with high photocatalytic efficiency.

光催化本质是光生电子和空穴在材料表面与目标分子发生的氧化还原反应，催化剂表面活性位点比例和比表面积大小是影响光催化效率的两个关键因素。高指数晶面含有高密度表面活性位点，通常表现出比低指数晶面更高效的光催化活性。但是，目前合成高指数晶面裸露的金属氧化物微纳米晶比表面积小、光利用效率低，催化效率不高。因此，要提高其光催化效率，必须提高其比表面积。空心结构的材料虽然具有大比表面和高效光捕获性能，但是目前所合成的大部分空心结构材料没有高指数晶面裸露，表面活性位点相对较少，影响其光催化效率。本项目拟通过对高指数晶面修饰保护，再定向化学刻蚀，合成具有高指数晶面裸露的空心金属氧化物微纳米材料，既提高表面活性位点比例，又增加材料比表面积，提高材料的光催化效率，建立金属氧化物高指数数晶面中空材料的合成方法，探索其结构与光催化效率之间的构效关系，为寻找高效光催化剂提供新思路和新方法。

光催化是发生在催化剂的表面的反应，因此合理的构筑具有特定表面结构和组成的催化剂是提高光催化效率的重要途径。但当材料尺寸降低到微纳米尺度后，其表、界面结构的精确调控难以实现，且其微纳米晶特定的表界面结构与光催化构效关系的研究相对较少。本项目开发了表面修饰和定向刻蚀相结合的策略构筑了既具有高活性晶面又具有空心结构的光催化剂，并研究了其光催化性能。研究发现高活性晶面和空心结构的协同作用有助于提高催化剂与目标分子表面反应的速率，但其光生载流子的分离效率未见提高，因此材料最终光催化活性并未显著提高。为了同时提高光生载流子分离效率和表面反应速率，我们通过引入富含杂原子的调节剂来构筑具有特定形貌的金属有机框架作为前驱体，通过原位煅烧构筑了一系列具有特定形貌的杂原子掺杂碳/金属氧化物界面结构，并探索了其结构与光催化效率之间的构效关系。研究表明：碳层，尤其杂原子掺杂的碳层可以提高金属氧化物的光生电子和空穴分离效率，有效延长其寿命。且其多孔碳层具有大的比表面积可以有效吸附反应分子，降低其反应的活化能，从而加快其表面反应速率，提高其光催化反应效率。基于上述研究，我们发现当光催化材料尺寸小的微纳米级别，通过有效的构筑高活性且大的表面结构可以提高光催化表面反应速率，而有效的构筑合适的界面结构可以有效改善光催化过程中载流子的分离效率，两者都是影响材料光催化活性的关键因素。因此构筑一种材料即具有高活性大的表面和有效的界面是提高材料光催化活性的有效方法，后期的研究中，我们将把有效的表面和界面相结合来构筑高效的光催化剂。