铋系多级微纳米结构的可控合成及其催化与吸附性能研究

Hierarchical micro-/nanostructures with unique microscopic structures and levels exhibited considerably novel functions and enhanced effect due to their substantial intrinsic effect, nanoscaled effect and associative effect, and displayed a promising application prospect.In this project,we will focus on the controllable synthesis of bismuth-related hierarchical nanostructures firstly. On the basis of liquid phase reaction, different bismuth-related hierarchical micro-/nanostructures will be synthesized by varying reaction systems, reaction mode and reaction conditions. The formation mechanism and assembling process of the hierarchical nanostructurs under various conditions will be also discussed. Further investigation will be focused on the structure-property relationship between hierarchical structure and catalytic and adsorptive properties, so as to direct the structural design of hierarchical bismuth-related materials. Eventually, the regulation and control in spatial and dynamic process of hierarchically structural assembling will be achieved. The large-scale synthesis of bismuth-related hierarchical micro-/nanostructures with novel structure, uniform morphology and size, and excellent catalytic and adsorptive properties will be also realized. This project is not limited to the investigation of fabrication or application of hierarchical nanostructures, but covers three levels of materials research ranging from material design, structure-property relationship to controllable synthesis. Through the spiral-like ascending procedure containing material design, material synthesis and application, structure-property analysis, regulation and control of hierarchical structures assembling, structure and function optimization, the large-scale manufacturing and application of bismuth-related hierarchical structures with novel structure and superior properties could be achieved. This project will extend the range and depth of the studies of bismuth-related materials.

具有独特微观结构和层次的微纳米多级结构集约了物质本征效应、纳米尺度效应和组合效应所产生的诸多新功能与增强效应，应用前景十分广泛。本项目拟从铋系多级结构的可控合成研究入手，以简单液相反应为基础，从反应体系设计、反应方式的选择、反应条件的控制等角度出发合成铋系多级结构微纳米材料。研究不同条件下铋系多级结构的组装过程与形成机理。进而探讨多级结构与催化和吸附性能之间的构效关系，用于指导铋系多级结构设计。最终实现多级结构组装的空间和动态过程调控，大规模制备结构新颖、形貌尺寸均一且具有优异催化和吸附性能的铋系多级结构微纳米材料。本项目研究不仅仅局限于多级结构的合成或应用，而是覆盖了材料设计、构效关系、可控合成三个层次。通过材料设计-材料合成与应用-构效分析-多级结构组装过程调控-结构与性能优化这样一个螺旋式上升过程，实现结构新颖、性能优异的铋系多级结构的规模化生产与应用，扩展铋系材料研究的深度和广度。

具有独特微观结构和层次的微纳米多级结构集约了物质的本征效应，纳米尺度效应所产生的诸多新功能与增强效应，应用前景十分广泛。其中，铋系微纳米材料由于其独特的光谱响应与层状结构，在能源催化、环境催化与吸附等领域有着广泛的应用。研究铋系微纳米多级结构材料的构筑及其活性增强机制对于含铋材料的工业化应用具有重要意义。本项目从铋系微纳米多级结构材料的可控合成入手，通过简单的液相反应，制备得到一系列的铋系多级结构微纳米材料。在此基础上，研究了铋系多级结构组成、形貌、结构、缺陷与材料吸附、催化之间的构效关系，主要开展了如下工作：.1、采用微波与离子液体结合法，制得了由纳米棒堆积而成的Bi2E3（E = S, Se, Te）球状纳米多级结构。以Bi2S3为例，探讨了由BiOCl向Bi2S3的拓扑转变过程的形成机理，通过改变氯化时间、烷链长度及离子液体的浓度可以对Bi2S3的微纳米结构进行调控，进而调控其光电性质，用于高效的Cr(VI)光催化还原。.2、以多孔Bi2O3纳米小球为模板，通过溶剂热反应对Bi2O3纳米球进行原位刻蚀，分别成功制备得到Bi2O3/Bi2WO6，Bi2MoO6/ Bi3.64Mo0.36O0.555纳米复合多级结构以及Bi2S3纳米多级结构。这些多级结构在光催化降解有机污染物，光催化还原六价铬等应用上表现在极强的优势。.3、利用醇溶剂的弱还原性，通过溶剂热合成法，分别制备得到缺陷态的BiOBr和Bi/BiPO4、Bi/ Bi3.64Mo0.36O0.55、BiO1-xBr/Bi2O2CO3等缺陷态纳米复合材料，通过顺磁共振波谱、正电子湮没光谱、X射线光电子能谱等手段对材料结构晶体缺陷进行表征与确认。通过研究其光催化活性提升机制，提出了单质铋促进羟基自由基产生过程中的空穴传导与氧化过程，明确了缺陷依赖的超氧自由基与单线态氧的产生途径，建立了铋系光催化材料缺陷态与分子氧活化初步的构效关系。.4. 分别使用Ce、Fe与Cl离子实现了对Bi2MoO4、BiOCl、BiOI纳米结构的掺杂和对特定反应的光催化活性提升。通过系统研究活性提升机制，针对不同掺杂体系明确掺杂对材料表面分子氧活化与直接氧化的影响，为其它铋系材料的结构设计与活性提升研究提供借鉴。