量子点敏化石墨烯基介孔包覆QD@TiO2/GR复合纳米材料制备及协同可见光催化性能

Functional ionic liquid self-assembly method is used to fabricate a quantum dot sensitized graphene base-mesoporous coating QD@TiO2/@GR composite nanomaterials (QD: quantum dots, GR: graphene). In term of the mesoporous coating characteristics and large conductive properties of the materials, as well as the heterogeneous interface and synergised catalytic effects of TiO2 composites,the visible-light driven catalytic activity, the quantum yield and the use of visible light increase. In addition, the synergetic mechanism is described and structure-activity relationship of the materials is optimized. The relationship between the preparation conditions of the photocatalytic material and its structure and performance is mainly studied. The relationships between the microstructure, chemical composition, heterogeneous interface and band structure of the composite material and its photocatalytic performance and the role of expanding the visible light response range are also studied. The transmission mechanism of photogenerated charge carriers, and the degradation of reactant and its dynamics process by the materials are assessed to looking for a high activity and good reusability of quantum dot-sensitized graphene base-mesoporous coating composite photocatalytic nanomaterials of TiO2 kind. The study of the project will provide theoretical basis and lay experimental foundation for exploring the preparation of the kind of material and its actual application in photocatalysis. The technical route of this project is original,and synthesized material performance is unique, so research on the photocatalytic performance under visible light shows great potential.

采用功能化离子液体自组装法合成量子点敏化石墨烯基介孔包覆QD@TiO2/GR复合纳米材料（QD:量子点，GR:石墨烯）。利用该类材料的具有的纳米介孔包覆特性、极高的电导性能，结合复合TiO2异质界面效应、协同催化效应，提高可见光催化活性、光量子产率和可见光利用率，阐述协同催化机制和优化构效关系。本课题重点研究材料的制备工艺过程与其结构、性能的关系；研究该复合纳米材料的微观结构、化学组成、异质界面、能带结构与光催化性能的关系及对拓展可见光响应范围的作用；研究该类材料的光生载流子的传输机理和反应物的降解行为及其动力学过程，寻找具有高活性和良好重复使用性能的量子点敏化石墨烯基介孔包覆TiO2类复合纳米光催化材料。本课题的研究将为探索这类材料的制备及在光催化领域的实际应用提供理论依据和奠定实验基础。本项目采用的技术路线新颖，制备材料的性能独特，其可见光催化性能研究也将是一个有前景的领域。

TiO2光催化材料在光降解大气和水中污染物等方面有着广泛的应用前景。但TiO2带隙较宽，对太阳光的利用率不高，光生电子和空穴易复合等问题，影响其在多相光催化反应的实用化和产业化。为此，通过核壳包覆型的量子点敏化TiO2，可以提高其光催化活性和可见光利用率，其次，石墨烯负载或掺杂结构的氧化钛光催化剂的制备和光催化性能研究也受到了人们的高度重视，成为光催化领域的重要前沿课题。但迄今为止，大量工作还主要集中在首先通过原位法合成石墨烯基TiO2复合体，再利用沉积技术（气相沉积、液相沉积、电沉积等）将量子点结合在复合体表面。这不但导致TiO2极大的界面尺度，以及石墨烯的有效结合，而且也降低了载流子转移速率，提高了光生电子与空穴复合几率。但值得关注的是，量子点敏化石墨烯基介孔包覆型氧化钛（quantum dot sensitized mesoporous coating TiO2 on graphene; QD@TiO2/GR）复合纳米光催化材料的有效方法。为此，本课题采用功能化离子液体自组装法，首先利用离子液体的双功能分子对量子点进行修饰，形成功能化离子液体（IL-QD），再通过自组装生成无机源包覆功能化离子液体（IL-QD-TiO2前驱体），随后通过水热过程，实现将“IL-QD-TiO2前驱体”负载在石墨烯二维平面中，最后通过索氏萃取、低温焙烧脱除模板生成介孔与晶化的同时，完成了量子点敏化介孔包覆QD@TiO2/GR复合纳米材料的合成，然后研究其催化活性、可见光利用率和光催化协同机制以及重复使用性能。本课题合成的CdS@TiO2/GR、ZnS@TiO2/GR、CdTe@TiO2/GR、CdSe@TiO2/GR具有规整的介孔结构，高的比表面积（纯介孔TiO2为125m2/g）,低的带隙能（<1.9eV），高的催化活性。提出了量子点敏化石墨烯变价轨道杂化与载体双协同降低介孔TiO2载流子复合方法；揭示了微异质结导致ZnSe敏化介孔TiO2/石墨烯具有高效催化活性作用机制及其构效关系；发明了精准构建核壳包覆Z型CdS@GMT/GR复合催化剂简便方法，实现了高效可见光催化性能。本课题的研究结论为量子点敏华石墨烯基包覆介孔类光催化材料的制备及在多相光催化领域的实际应用提供理论依据和奠定实验基础。