碳基半导体复合物的可控合成、结构及其光催化性能研究

Despite many methods have been attempted to enhance the behaviour of photocatalysts, including semiconductor coupling, metallic doping and non-metallic doping, etc., efficient and commercially viable photocatalysts for treating environmental pollution are not yet to be realized. The reason is that they could not contribute to all three fundamental processes in semiconductor photocatalysis, i.e. (i) Photon absorption and electron-hole pair generation. (ii) Charge separation and migration. (iii) Surface chemical reaction at active sites. Carbonaceous nanomaterials show the potential to contribute to all three of the routes of increasing photocatalytic activity to enhance semiconductor because of their unique and controllable structural and electrical properties. The aim of this work is to intensify the interaction of carbonaceous nanomaterial and activated components, using carbothermal reduction method to realize controlled preparation of photocatalysts, obtain effective carbonaceous photocatalysts which can fit three fundamental approaches. Further, demonstrate the adsorption-photocatalysis synergistic function of carbonaceous materials and active component. Deeply investigate the effect of component and microstructure of composite material on carrier separation and catalysis performances, and provide the theoretical guidance for design and synthesis of simple and economical carboneous composite catalysts.

尽管通过半导体耦合、金属修饰和非金属掺杂等提高光催化剂性能的方法已得到国内外研究者的广泛关注，但均由于无法兼顾光催化的三个基本过程(即吸收光子生成电子-空穴对、光生电子-空穴的分离与跃迁及跃迁的电子-空穴参与的表面化学反应过程)而得到有效应用。碳材料具有可控的结构与独特的电性质，利用其提升半导体光催化剂性能有望解决上述问题。本研究旨在利用碳材料碳热还原特性实现对催化剂组成的调控，强化碳基质与活性组分之间的相互作用，获得兼顾光催化三个基本过程的高效碳基复合光催化剂。并进一步阐明碳基质与光催化活性组分间吸附-光催化协同作用，更深入地研究复合材料组成和微结构对光生电荷载流子分离和可见光光催化活性的影响规律，为设计合成简单经济的碳基复合光催化剂提供理论指导。

碳材料具有可控的结构与独特的电性质，利用其特性可实现与光催化活性物种协同，进而促进光催化性能。本项目建立和发展了具有可见光活性的碳基复合光催化材料的合成新思路与制备新途径，实现了对碳基复合材料组成与微结构的可控调变；揭示了碳基复合材料光催化反应的界面过程，阐明了不同微/纳米构造的光催化剂的结构、形态与光催化活性之间的关系；考察了碳基复合光催化剂降解水中有机污染物的反应动力学特性。主要研究成果如下：. (1) 基于碳热技术的可见光响应碳基复合多组分催化剂研究.以碳材料为载体，通过浸渍-碳热还原法一步制备具有异质结构的Cu-CuO-Cu2O/C碳基复合光催化剂。通过原位物相与组成分析对复合催化剂形成机制进行了探讨，进而确立碳基复合催化剂组成及微观结构的调控规律。以活性艳蓝为模拟污染物，建立了复合光催化剂的活性评价体系；通过相关谱学分析阐明了碳基质（载体）性质对光催化活性组分的能带结构调变和敏化能力及光生电子-空穴对复合抑制作用。.（2）C、N、S共掺杂ZnO光催化剂研究.以L-半胱氨酸为C、N、S源，通过水热、微波及简单的热处理方式制备新型碳基复合光催化剂。研究发现，在水热或微波条件下可获得C,N,S共掺杂ZnO光催化剂；而高温直接煅烧可获得N掺杂的ZnO/ZnS光催化剂。利用UV-vis DRS与XRD技术分析了非金属元素C,N,S的掺杂对ZnO物相结构与光吸收性能的影响；采用XPS探讨了复合物表面各主要元素的丰度与性质；通过PL光谱分析了掺杂对光生电子-空穴对复合抑制作用；并以活性艳蓝为模拟污染物，建立了复合光催化剂的活性评价体系。通过对复合物的微结构与理化特性分析，确立了结构-活性相关性。