基于等离子共振效应的Ag@AgX(X=Cl,Br,I)插层复合光催化材料的构建及活性研究

The main aim of this proposal is to synthesize and characterize a series of new composite photocatalysts of Ag@AgX(X=Cl,Br,I) intercalated layered compound, to overcome the drawbacks of Ag@AgX photocatalysts, such as Ag@AgX monomer being reunite, hard to control the size and morphology, which could lead to the decline of photocatalytic activity. The mechanism of photocatalytic performance for degradation of organic pollutants will be explored. The fabrication of nano-sized Ag@AgX in the layered space can utilize the synergisitic effects of surface plasmon resonance and nono-ordered-layered-spatial confinement effect to expand the viable light absorption range and enhance the separation efficiency of photo-generated charge carriers. The space charge layer distribution of photocatalyst will be optimized and the photoinduced electrons migration characteristics will be improved through the adjustment of preparation conditions and the precise control of the particle size, shape and chemical composition, so that to achieve the optimized match for different bands and to enhance the catalystic activity under visible light irradiation. The implementation of this research will provide new ideas for composing new visible-light-driven photocatalysts from the perspective of composition, structure, and photocatalytic activity. The innovation of this proposal lies in the fact that (1) to control the size and shape of plasmanic Ag@AgX photocatalysts in layered space, and (2) improve the photocatalytic activity as well as the photoinduced charge separation under visible light irradiation by ultizing the synergistic effects of surface plasmon resonance and layered nano-ordered space.

本项目针对Ag@AgX(X=Cl,Br,I)等离子共振光催化剂易团聚、尺寸形貌不易控制等问题，提出在层状化合物的层间组装纳米Ag@AgX，制备具有等离子共振效应的Ag@AgX插层复合光催化材料，实现在层间二维纳米空间精确控制Ag@AgX尺寸及形貌。通过调整制备条件，精确控制复合材料的纳米尺寸、形貌、组成及插层量等，优化等离子共振与层状空间的匹配，改善光生电子的迁移特性，提升材料可见光下的活性。通过研究影响Ag@AgX插层复合材料在可见光下降解有机污染物活性的因素，揭示等离子共振与层状空间的协同作用对拓展可见光吸收范围、促进光生载流子分离与转移的机理，实现从材料的组成、结构与光催化活性相互关系的角度设计新型可见光驱动的催化剂的目的。本项目创新性在于①利用层状纳米空间精确控制等离子共振催化剂的尺寸与形貌，②利用等离子共振与层状纳米空间限域的协同效应促进光生载流子的分离与转移，促进光催化活性。

光催化是将太阳能转化化学能的过程，具有低成本、无污染的优点，在分解水制氢、降解污染物等方面有广阔的应用前景，对于从根本上解决能源、环境等问题具有重要意义。因而，开发新型可见光响应光催化剂是迫切需要的。本项目在国家自然科学基金(编号51372068)的资助下，在等离子体共振效应的Ag@AgX(X=Cl,Br,I)插层复合光催化材料的构建光催化复合材料的设计合成与催化性能的研究方面取得了一系列满意的成果。.本项目在微波辅助下采用离子交换和光致还原法将Ag@AgX插层进入K4Nb6O17层间，合成了一系列具有等离子共振效应的光催化剂K4Nb6O17/Ag@AgX。可有效提高可见光催化降解有机污染物的能力，对于解决半导体光催化剂太阳能利用率低的问题具有重要意义。Ag纳米粒子的等离子体共振效应可使插层复合光催化材料在光谱响应范围拓展至800 nm。其中K4Nb6O17/Ag@AgCl和K4Nb6O17/Ag@AgBr在可见光下照射120 min对罗丹明B的降解率分别高达94%和96%，与单体Ag@AgX相比提高了3.3倍、0.92倍；K4Nb6O17/Ag@AgI光催化剂可在40 min内对罗丹明B的降解率达83%。.利用π-π共轭材料g-C3N4纳米片作为壳层包覆了AgI、Ag3PO4制备核壳结构的可见光催化剂（Ag3PO4@g-C3N4和AgI@g-C3N4）。壳层包覆增大了两者的接触面积，能级匹配及界面上的键合作用加之π-π共轭结构壳层材料，大大提高了光生电荷的分离和迁移速率，明显提高了单体的光催化活性和稳定性。在可见光照下，g-C3N4对BPA几乎无降解能力，而Ag3PO4在30 min的降解率为57.2%，复合物则高达94.6%。除此之外，具有π-π结构三维石墨烯水凝胶（rGH）在近年来被认为是一种最具发展潜力的新型材料。石墨烯水凝胶拥有大比表面积的同时也能实现电子快速转移。另外，石墨烯水凝胶也是一种理想复合光催化材料支撑骨架。本项目成功制备了AgCl@rGO-rGH、rGH-AgBr@rGO、g-C3N4/rGH、TiO2-rGH、Ag3PO4/rGH。利用吸附光催化协同作用，实现了对污染物去除能力的提升。克服了传统吸附法效率低、易饱和、不易再生的缺点。拓宽了实际应用价值。.本项目发表论文20篇，其中一区6篇，二区12篇。培养硕士研究生11，完成了项目的预定目标。