石墨烯基氧化钛阵列复合可见光催化剂的基础研究

基于功能协同复合思想，提出将具有大比表面积高光吸收截面有序纳米TiO2阵列与具有优良电荷输运和分离、有机物吸附能力的可调带隙半导体石墨烯进行复合，通过溶剂热法还原反应，在有序TiO2阵列表面复合不同还原程度和杂化结构的半导体石墨烯，制备TiO2阵列/半导体石墨烯复合光催化剂。研究溶剂热工艺调控半导体石墨烯复合组元的层内杂化/缺陷结构与带隙、及其与TiO2复合界面结构的关键工艺参数；将复合界面结构、可见波段光吸收响应和可见光催化降解性能测试结果与复合界面结构模拟计算结果进行对比分析，探明复合组元半导体石墨烯的层内杂化/缺陷结构、复合界面结构、可见光响应与可见光催化活性之间的关联规律；获得具有优良可见光响应、有机物吸附与降解活性的复合光催化材料的可重复、稳定的制备技术。为发展新一代高效可见光响应型TiO2阵列/半导体石墨烯光催化剂提供基础。

为了进一步提高TiO2材料的光催化效率以及对太阳光的利用率，最终提升其光催化活性，对于TiO2进行改性已成为材料学、物理学、化学以及环境科学领域的热门研究课题。本报告首先对TiO2光催化材料的制备方法和改性技术进行了研究，并探讨其对催化性能的影响和相关机理。随后，为抑制光生载流子复合与拓展光响应，对TiO2纳米光催化剂进行了异质结构复相改性。通过异质结构的构造，调整了界面处的能带结构，构建了p-n型内电场，促进了光生载流子的传输，增强了对降解底物的吸附从而提高了异质结构复合物的光催化活性。具体工作如下：. 一、首先，以莫来石纤维为基体，通过种子层水热生长法制备了尺寸与形貌可控的金红石相纳米TiO2阵列，随后采用溶剂热法，纳米TiO2阵列与石墨烯复合，得到了高效可见光响应的TiO2阵列/石墨烯复合光催化剂材料，其吸收边红移至480 nm，且在可见光波段内有很高的吸收效率。. 二、为了解决TiO2与石墨烯两种不同价键状态复合单元的复合界面及其电荷输运效率的问题，构造了TiO2@C/Graphene异质结构复合光催化剂，利用无定形碳作为TiO2纳米晶与石墨烯二维平面之间的异质结构界面，提高了TiO2与石墨烯有效复合界面结合强度及其界面电荷输运效率，提升了其可见光催化活性。首先，采用水热法制备了TiO2纳米晶，通过热处理调节了样品表面碳膜的厚度和表面无序度。随后将碳包覆的TiO2与石墨烯进行复合，获得了一系列异质结构复合样品。结果验证了TiO2表面的无定形碳，在一定厚度和无序度的状态下，可作为优异的异质结构复合界面，起到的桥接TiO2与石墨烯以及抑制光生载流子复合的作用。. 三、为了解决有效利用近红外波段光能量的问题，采用温和的水热法构造了NaYF4:Yb,Tm@TiO2核壳异质结构复合物，壳层TiO2高度晶化且厚度可控，所得样品获得了良好的近红外光催化活性。首先，利用水热法合成了稀土掺杂的NaYF4纳米材料；随后，通过研究其晶型、形貌以及掺杂配比对于其上转换发光性能的影响，优化了NaYF4:Yb,Tm微米棒的发光性能，获得了具有最高紫外光发光效率的掺杂配比与制备条件。在温和条件下，均匀、可调地在上转换氟化物微米棒表面包覆高度晶化的锐钛矿相纳米晶异质结构壳层，获得了具有紧密复合界面的NaYF4:Yb,Tm@TiO2核壳光催化剂。