生物质自掺杂生态金属氧化物的原子近邻结构及其光催化性能研究

研究生物质自掺杂元素对于生物质自掺杂生态金属氧化物原子近邻结构及其光催化性能影响规律的科学问题。重点运用同步辐射吸收精细结构，结合常规微结构表征方法，研究生物质自掺杂生态金属氧化物制备过程中，生物质自掺杂元素与金属氧化物元素的原子迁移以及化学耦合规律；研究不同自掺杂元素的原子配位和结构的变化规律；研究制备工艺对生物质自掺杂生态金属氧化物原子近邻结构的影响规律。通过光催化性能测试，研究不同自掺杂元素、自掺杂元素量、制备工艺等对生物质自掺杂生态金属氧化物光催化降解和光解水制氢性能的影响规律。揭示生物质自掺杂生态金属氧化物的形成机理，为优化设计制备环境友好型光催化材料提供理论指导。本研究综合多种微结构研究手段，从原子尺度研究生物质自掺杂生态金属氧化物的原子近邻结构及其对光催化性能的影响规律，不仅可望促进生物质自掺杂生态金属氧化物研究，对于其他新材料研究也有显著的指导意义。

针对掺杂型氧化物及其光催化性能，本项目采用XRD、XPS、EPR、SEM/TEM/HRTEM、UV-vis吸收、PL、Raman、FTIR等微结构分析手段以及光降解、光解水制氢或产氧、量子产率测量、密度泛函分析计算等性能测试手段，对由改变前驱体、掺杂生物质氮磷元素、构建仿生减反结构并掺杂贵金属光子捕获位点、掺杂Ti3+、掺杂光色自恢复体系等优化方法所获得的ZnO和TiO2基光催化剂，进行了试验和理论研究，提出了相应掺杂优化ZnO和TiO2基光催化剂的方法，提高其人工光合效率，并对其不同掺杂机理以及对光催化性能的影响规律进行了详细研究。研究结果表明：.(1). ZnO光催化性能随着氧空位浓度的增大而增大，主因是氧空位不仅能作为电子陷阱俘获光生电子而减小光生电子与空穴间的复合，同时还能吸附半导体材料表面的含氧基团，这两点均对光催化降解水体甲醛起到了积极作用；.(2). 提出了利用生物质资源自掺杂N/P元素的方法，避免了人工掺杂方法所需的昂贵设备和有毒化学试剂的使用，有望推广到一般元素掺杂金属氧化物的制备中；.(3). 通过构建仿生表面减反结构与构建均匀掺杂的Ag0纳米粒子光子捕获位点的共同作用下，提高了TiO2光催化剂的活性；.(4). 通过调控Zn3(OH)2V2O7•2H2O表面形貌和不同程度的局部晶格变形可显著影响产物的光学活性；.(5). 提出了向TiO2中掺杂足够高浓度Ti3+ 离子来优化带隙的学术设想，并证实适宜的Ti3+ 掺杂浓度可有效优化TiO2-x光催化剂的活性；.(6). 提出了用非金属元素Br吸附在TiO2活性曝露晶面表面，来调节能量波动的学术设想，并证实掺杂AgBr/CuO光色自恢复体系来反复利用Br元素优化表面能，可显著提高TiO2的光催化活性；.(7). 提出了结合非晶半导体无序原子排列和Ti3+ 掺杂来分别优化TiO2的带隙和抑制其光生电荷复合的研究新思路，并证实半导体的非晶属性确实具优化产物带隙的能力，而Ti3+ 掺杂可有效抑制光生电荷复合，进而提高光电转化的效率。.本项目先后在Green Chemistry, Chemical Engineering Journal, International Journal of Hydrogen Energy等重要学术刊物发表文章7篇，国际会议文章1篇，培养博士、硕士研究生3名。