半导体/金属有机骨架复合材料的制备及其光催化还原二氧化碳的研究

二氧化碳是最重要的温室气体之一，研究二氧化碳的吸附和再循环利用对目前全球气候变暖具有重要的理论和现实意义。半导体在光的作用下可以将CO2转化为有用的有机物，但是目前报道的光催化还原CO2的体系量子效率都不高，难以满足实用化的要求。本项目立足于提高半导体光催化还原CO2的量子效率，提出半导体/金属有机骨架（SC/MOFs）复合材料在捕获、活化和光催化还原CO2中具有巨大的潜在优势。具体研究包括功能化MOFs材料的设计与制备，MOFs与半导体的复合，复合物的光电性质，复合物与CO2的相互作用，以及对CO2的光催化还原等。旨在设计并制备出同时具有高CO2捕获能力和高还原活性的SC/MOFs复合物，探索并理解其光催化还原CO2的机理。该项目的研究将深化对光催化还原CO2的认识，并为解决目前全球气候变暖提供潜在的解决办法，具有重要的科学意义和应用前景。

本课题着重研究卟啉基MOFs材料的制备，Bi基和Ag基半导体的微结构调控及其在CO2捕获、还原、光解水、及降解有机物等方面的应用。利用水热，溶剂热，电化学方法等制备了一系列具有高催化活性光催化材料，对材料的制备方法，结构，性能等进行了系统深入的研究，对材料的构效关系有了进一步的理解，为下一步探索新型高效的光催化材料提供坚实的基础。在ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun., Chem. Eur. J., CrystEngComm., Dalton Trans.等期刊共发表文章9篇，获得授权专利1项。具体成果有：（1）通过比较卟啉和铜卟啉为配体的MOFs，提出了CO2在基底的化学吸附导致还原效率增强；（2）结合实验和理论计算，深入研究了BiOCl1-xBrx固溶体的光催化活性对x的依赖性，进而提出固溶体中的阳离子空位对光生载流子的分离和光催化活性有重要的影响；（3）利用离子交换法和kirkendall 效应，我们制备了Bi2WO6的空心球，其大的比表面积导致高的CO2吸附能力和CO2光催化还原能力；（4）首次发现并报道了Bi2TiO4F2的纳米片的制备及其光催化性能；（5）分别利用湿化学法和电化学沉积法制备了<111>和<110>方向优先生长的凹面AgCl方块和AgCl纳米立方块，阐述了其形成机理，并证明两者都具有很好的光解水产氧的活性；（6）开展了具有特定晶面TiO2分等级球的制备、光催化性能和合成条件对TiOF2拓扑生长制备三维分等级TiO2空心盒子的影响的研究；（7）首次报道了Ag2CO3纳米颗粒的制备及其良好的光催化降解有机物和杀菌性能。