全太阳光谱驱动TiO2/WO3-x催化氧化VOCs及其结构缺陷调变的研究

In the recent experiments, we have found that the defect sites on the surface or bulk of TiO2/WO3-x has a significant impact on the full solar spectrum photocatalytic oxidation of VOCs. Thus, this project is aimed at systematically investigating the effect of the various pretreatment factors on the properties and concentration of defects and photocatalytic performance over TiO2/WO3-x, tracking the changing tendency of the defects by means of various in-situ spectroscopy characterization techniques and establishing the relation among gaseous H2/N2—properties and concentration of defects with titanium-tungsten species and oxygen vacancies-photocatalytic activity. On that basis, the dynamics on TiO2/WO3-x catalyst with defects in the charge generation, migration, recombination and surface chemical reactions of photogenerated carriers will be established by those characterizations and calculations, in order to reveal the structure model and photocatalytic oxidation process. That will contribute to improve the understanding of the nature of the mechanism on photocatalytic oxidation reaction on metal oxide with defects, and provide a scientific basis for the development of the high-performance catalysts used in the photocatalytic process.

针对太阳光全波段光催化氧化VOCs催化剂TiO2/WO3-x表面或体相存在的缺陷对催化活性有显著影响的现象，本项目拟采用多种原位谱学表征技术系统研究催化剂中缺陷的调变规律及其对光催化活性的影响，探明气相H2/N2—低价钛钨物种和氧空位缺陷性质与浓度—光催化活性三者的定量关系。在此基础上，研究关于缺陷的光生电荷产生、迁移、复合及俘获的动力学过程，结合理论计算，构建TiO2/WO3-x活性相模型，最终揭示光催化过程。本项目研究有助于加深对缺陷型半导体光催化机制本质的理解，为高性能光催化剂的研制提供科学依据。

我国经济快速发展，能源资源消耗持续增加，大气污染问题日益突出。近年来，以细颗粒物PM2.5和臭氧为特征污染物的大气复合污染形势严峻。挥发性有机物（VOCs）是臭氧和PM2.5的重要前体物，同时一些毒性VOCs也直接危害人体健康。因此，有效控制和治理VOCs是大气污染联防联控工作的重点任务，对保障人民良好生态环境具有重要意义。在VOCs众多治理技术中，光催化氧化直接利用太阳光催化净化VOCs，是一种理想的治理技术。如何提高光生电荷利用效率，是实现高效光催化性能的关键。本项目围绕太阳能转化关键科学问题（光吸收、电荷分离和表面催化反应），设计可用于太阳能转化的VOCs高效治理催化剂，探索缺陷型金属氧化物的可控制备，建立催化材料合成－缺陷结构－光子传输转换－催化性能的内在关系，深入研究太阳能与催化剂作用的能量转换机理，明确VOCs光催化反应机制。研究发现，氢气预处理可以改变金属氧化物表面结构。300度处理，获得表面氧空位和钛金属缺陷态TiO2/WO3-x，可见光下甲苯降解率达到72%。相较TiO2/WO3，光催化活性提升了22%。400度处理，形成体相氧空位和钛、钨金属缺陷态TiO2/WO2.9，甲苯降解率下降至53%。多种光谱表征表明，表面缺陷拓宽光谱吸收和促进载流子分离，但内部深层缺陷成为载流子复合中心。进一步将贵金属Pt负载到富表面氧缺陷的WO3-x，获得优异的电荷载流子分离性能、高活性位点、以及甲苯高转化率和选择性（太阳光下甲苯降解率为98%，矿化率95%），源于表面氧缺陷与贵金属之间的有效电子耦合。原位红外和TPD-MS明确VOCs分子活化和催化转化过程经由甲苯→苯甲醇、苯甲醛、苯、CO→CO2。研究结果将为发展高效稳定、低能耗的VOCs关键材料与核心技术提供科学依据。