TiO2-Ag-Bi2MO6 (M=W, Mo) Z型光催化体系的构筑及其催化增效机制

By referring to the characteristics of promoting the separation and transfer process of electron-hole pairs in nature Z scheme photosynthesis, this project proposal is to choose TiO2 and Bi2MO6 (M=W, Mo) semiconductor materials and Ag nanoparticles being as electron mediator to construct mimicking Z-scheme photocatalytic systems, to efficiently isolate the photogenerated electrons and holes and maintain the oxidation and reduction capability of electron-hole pairs, resulting in the enhancement of photocatalytic performance. To achieve structure design, controllable fabrication, and functional assemble of the photocatalytic system, the impact of the morphology and microstructure of TiO2 and Bi2MO6, the size of Ag, and the proportion of each component on the photocatalytic activity of the Z scheme photocatalyst will be discussed. The surface/interface formation mechanism as well as the relationship between the composition/structure and photocatalytic properties of TiO2-Ag-Bi2MO6 (M=W, Mo) Z photocatalytic systems will be investigated. The synergistic mechanisms of the composited photocatalytic system will be summarized. This project proposal is also expected to provide valuable reference, information, and guidance for designing new Z scheme photocatalytic materials and developing semiconductor photocatalysis technology.

本项目借鉴自然界Z型光合作用系统中电子和空穴有效分离和传递的特性，选用TiO2和Bi2MO6（M=W, Mo）两种不同半导体材料和电子介体Ag纳米颗粒来构筑人工Z型光催化体系，实现光生电子-空穴的有效分离，并分别保持空穴和电子的强氧化和强还原能力，进而提高其光催化性能。通过研究光催化体系中TiO2和Bi2MO6的微观形貌与结构、Ag颗粒尺寸以及各组分的比例对体系催化性能的影响，优化光催化体系的设计，并实现可控合成与功能化组装。探索TiO2-Ag-Bi2MO6 (M=W, Mo) Z型光催化体系的表/界面形成机理、组成/结构与光催化性能之间的构效关系，并提出Z型复合光催化体系催化活性提高的协同作用机制。本研究为构筑新的高效光催化体系、拓展半导体光催化材料的应用范围提供重要的实验依据，具有重要的理论和实践指导意义。

工业快速发展所引起的能源危机和环境污染严重威胁着人类生存环境的可持续发展。研究以太阳能为直接驱动力的光催化技术具有重大研究意义。单一光催化材料的开发研究因无法突破性能上的限制并满足应用领域的需求已遇到一定的瓶颈，开发高效复合光催化体系是目前的研究热点和发展趋势。针对在抗生素等环境污染物光催化降解领域常用催化材料存在的局限性，本项目通过氧化钛和铋基材料两种不同半导体导带和价带的能级结构耦合，以金属电子介体实现光催化体系的电荷平衡，阻滞光生电子空穴对的复合并保持其较强的氧化还原能力，从而提高其光催化活性。我们以乙醇酸氧钛为前驱体，通过改变合成方法(水热法、煅烧法和水热煅烧法)对多孔二氧化钛的结构及组成进行调控，研究其光催化降解抗生素污染物的作用机理与增效机制。其中水热处理得到的多孔氧化钛因具有较大的比表面积和相对较弱的亲水性促进了对抗生素的有效吸附，并且其高效的电子-空穴分离和快速的载流子转移能力有效提升了由空穴和•OH自由基引发的环丙沙星的环境友好型光催化降解。该氧化钛材料对单一和不同类别的喹诺酮类、四环素类、头孢类等抗生素污染物均有较好的矿化去除性能。构筑了金属/助催化剂-氧化钛异质结复合材料，其中铜-氧化钛复合材料因其表面电荷的改变而增强了对抗生素的吸附能力，与此同时界面电荷的有效分离与转移均促进了对抗生素的光催化降解。镍基助催化材料因加速光生电子空穴对的分离与传递而提高了光解水制氢性能。构筑了氧化钛-钨酸铋等铋基材料复合材料，因表面润湿性的改变和吸附能力的提升而促进光催化反应的发生，并通过光的有效利用和光生电子-空穴的有效分离实现高效催化去除有机染料和重金属离子。构筑了氧化钛-银-钼酸铋三元复合材料并实现对有机染料的有效光催化降解。通过考察复合材料的表/界面组成对光催化性能的影响，探讨复合材料的催化活性和作用机制。为高效光催化材料在环境污染和能源危机中的应用奠定了基础。