层状铌酸盐/石墨烯插层复合物的制备、组装和性能

层状铌酸盐由于其规整、可调的晶体结构是新型半导体催化剂，石墨烯是本世纪发现的具有独特能带结构的新材料。项目拟结合二者特性，以层状铌酸盐层板为构筑基元，通过有机物的控制嵌入和碳化，发展新型层状铌酸盐(及同系物)/石墨烯亚纳米周期复合插层半导体材料；并通过研究不同层板的晶体结构和组成、表面酸性、有机嵌入物类型、密度和杂原子对层间石墨烯形成的作用，以及层状铌酸盐独特的可组装和可调变性，发展多种结构和形貌的新型半导体插层复合物；通过一系列物理和化学表征手段，探索复合物层板结构、组成、层间阳离子以及其它嵌入金属组元、石墨烯掺杂元素、石墨烯独特能带结构与铌酸盐半导体性质的协同耦合，对复合物的电子结构、光生空穴-电子对的分离、光生电子的迁移和捕获、及其对铌酸盐量子效率和光电转换性能的改善作用，发展新型半导体催化概念。为该类复合半导体材料在光和光电催化，以及光电转换及其它功能材料的应用提供理论和实验基础。

层状铌酸盐具有特征层板结构和半导体性质，本项目旨在通过深化本实验室前期在层状铌酸盐层剥离和嵌入等研究成果，结合国际上近年在石墨烯研究中的突破进展，发展新型层状铌酸盐/石墨烯亚纳米周期复合插层半导体材料，为发展光、光电催化以及光电转化等方面的新型杂化半导体材料提供理论和实验基础。项目主要执行情况如下：（1）在层状铌酸盐自身层剥离性质和嵌入规律方面进行了研究，发现并利用层状铌酸在环氧乙烷水相自剥离、果糖水溶液中微波诱导剥离等性质，结合理论计算，在其表面酸性质和酸催化行为研究方面取得重要进展，实现了环氧乙烷水合高选择性制备乙二醇，以及高浓度果糖水相高效、高选择性脱水制备5-羟甲基糠醛（HMF），此方法具有体系简单、环境友好、催化效率高（果糖转化率85%，HMF得率56%）、底物/催化剂比例高（果糖/铌酸盐=50）、循环性能好等优点。（2）利用获得的铌酸盐层板研究结果，以层状三铌酸为基础，以4-乙烯基吡啶为嵌入剂，利用层状铌酸与乙烯基吡啶之间的酸碱反应为驱动力，以及后者易于交联碳化的特性，发展了客体物种“预嵌入—在位碳化”制备石墨烯插层化合物方法，成功制备了氧化铌/氮掺石墨烯及其钌掺杂的插层复合催化材料。（3）并依靠所获得插层化合物中铌酸层板与纳米级接触的石墨烯的电子协同作用，实现了高效的可见光水催化分解制氢、以及氧电催化还原反应；氧还原反应起始电位可达0.92伏，与Pt/C相当，稳定性和选择性优于后者。（4）作为内容拓展，基于项目前期在碳化钼催化剂研究结果，完成了氧化钼/有机胺亚纳米周期有机—无机杂化纳米材料生成机理研究，控制制备了纳米线、纳米片等多种复合材料；以“基于亚纳米周期性有机—无机杂化结构的二次转化”策略为基础，继续发展了纳米Mo2C/还原石墨烯、氧化钼/聚苯胺杂化及其铁掺杂纳米线/管、MoS2/PANI复合纳米线、TaON/Ta3N5纳米材料、一维钨青铜等复合材料，并发现这些材料分别在电解水制氢、环己烯催化环氧化、锂离子电池、光热转换等方面优势。（5）项目共发表标注论文14篇；新申请相关专利3件；参加了台北举行的海峡两岸催化会议以及全国分子筛会议；还有部分结果如氧化铌/氮掺石墨烯复合催化材料的电催化氧还原反应、以及纳米Mo2C/还原石墨烯的电解水催化制氢等工作已经完成，即将投稿。（6）项目执行期间，毕业博士研究生3名，硕士生1名 ，博士后出站1名。