基于钛酸盐网络状薄膜的高效光催化剂的制备及其在CO2资源化中的应用研究

利用光催化技术将温室气体CO2转化成碳氢化合物燃料，将对缓解当前能源短缺和气候变暖问题具有重要的战略意义。申请人前期工作中成功地在金属钛基底上原位生长一层纳米管钛酸钠网络状薄膜，发现该薄膜具有大比表面积、强吸附性、三维多孔有序结构、高入射光利用率等优点。本项目拟在保持这种特殊网络状薄膜结构的基础上，利用钛酸钠的强离子交换性能，将其与各种无机或有机金属盐（碱土金属盐、铋盐、锡盐等）进行离子交换反应，制备出一系列含有单金属或双金属的钛酸盐网络状薄膜。然后，以CO2的光催化还原为探针反应，考察该系列薄膜材料的光催化活性；并通过担载不同的助催化剂，考察CO2转化为不同碳氢化合物的选择性差异，深入探究CO2光催化还原的机理。本项目的研究目的是通过制备系列网络状薄膜高效光催化剂来提高CO2光还原反应的效率，并阐明CO2光催化还原的机理；该研究成果将对解决CO2的资源化利用具有重要的科学意义。

将温室气体CO2转化成碳氢化合物燃料，将对解决当前能源短缺和气候变暖问题具有重要的战略意义。申请人所在课题组从98年开始从事纳米管钛酸及其衍生物的制备、结构与性能表征、及光催化、电化学等方面的研究工作。前期，通过浓碱水热法成功地在金属钛基底上原位生长一层纳米管钛酸钠网络状薄膜，发现该薄膜具有大比表面积、强吸附性、三维多孔有序结构、高入射光利用率等优点。在本项目中，我们在保持该多孔网络状薄膜上述优点的基础上，利用钛酸盐的强离子交换性能，具体开展了以下几方面的工作：（1）使其与水（和低浓度酸）中的质子交换，得到了纳米管钛酸网络状薄膜。纳米管钛酸（钠）自身光催化性能很差，对污染物降解、光催化还原水产氢、及CO2光还原中基本没有催化活性。我们通过对纳米管钛酸网络状薄膜进行后处理（水热、高温脱水等），使其转化为锐钛矿TiO2。该TiO2薄膜具有多孔网络状结构，与常规溶胶-凝胶法制备的TiO2完全不同，它具有多孔结构，有利于污染物的吸附扩散、且孔通道有利于入射光的充分利用，因此，它在光催化CO2还原反应中表现出优异的性能。而后，我们通过贵金属担载、MgO金属氧化物修饰的方法，进一步增加了光催化反应的效率、且CO2转化为CH4的选择性也得到很大提高。（2）将其与各种盐（碱土金属盐、锡盐、铋盐等）进行离子交换，得到了多种镶嵌金属离子或替代型钛酸盐，如Sn2+嵌入的钛酸(钠)，钛酸锶网络状薄膜、Bi掺杂的TiO2等纳米材料。这些材料相比于前驱体（钛酸、钛酸钠）具有更强的光生载流子分离效率，在光催化CO2还原、污染物降解中表现出优异的性能。（3）在阳极氧化法制备的多孔TiO2纳米管阵列薄膜基础上，通过原位水热生长法得到了TiO2/BaTiO3纳米管抑制结阵列、W-N、Mo-N、V-N共掺杂的TiO2纳米管阵列，并对其电化学和光催化性能进行了系统评价。另外，对于上述工作，我们结合电子自旋共振技术、荧光光谱、电化学方法，对其中的光催化反应机理进行了详细研究。我们在该项目的支持下，制备得到了多种高效光催化剂、拓展了多孔网络状薄膜的制备技术、在CO2光还原、污染物降解及机理研究方面获得了丰富的成果，共发表学术论文21篇，其中SCI论文16篇，申报专利3项，培养博士硕士研究生10人，顺利完成了基金任务。