基于SPR效应的半金属铋/层状铋化合物复合材料的制备及光催化性能研究

Exploiting novel visible-light photocatalysts is an important case for environmental pollution control and renewable energy. Even though noble metal involved bismuthic plasmonic photocatalysts have good visible-light photocatalytic activities, the crystalline mismatch between noble metal and semiconductor components restricts further improvement on their properties. In the present project, semimetal Bi with surface plasmon resonance (SPR) effect combines with lamellar bismuth compound (BiOCl, Bi2O2CO3, Bi2WO6) to construct visible-light bismuthic plasmonic photocatalysts with structure matching character between components. A self-reduction preparation strategy for composites, an assembly strategy for hierarchical support, a growth method of SiO2 layer are established to achieve composites with structure matching, and enhance their absorbance capacity to visible light. The photodegradation and cycled application properties on model organic pollutants (RhB, phenol or halogenated phenol) will be studied with the bismuthic plasmonic composites as photocatalysts under visible light. The relationship between structure characters and photocatalytic activities will be evaluated. Investigation on the role of SPR effect of semimetal Bi in the degradation mechanism provides experimental and theory basis for designing highly-efficient bismuth relative photocatalysts.

开发可见光响应的新型光催化剂是环境污染控制和可再生能源开发利用的重要内容之一。贵金属增强的铋系等离子体光催化剂尽管显现良好的可见光催化性能，但贵金属的高成本及其与半导体之间晶体结构的不匹配，限制了此类型光催化剂性能的进一步优化。本项目拟选取具有表面等离子共振（SPR）效应的半金属铋与层状铋化合物（BiOCl，Bi2O2CO3，Bi2WO6）进行复合，构建系列结构匹配的可见光响应铋系等离子体光催化剂。通过自体选择性还原的制备技术、载体分级结构的组装技术、SiO2层的生长技术，保证复合材料在结构上的匹配并增强其对可见光的吸收利用。研究系列铋系等离子体光催化剂对于模型有机污染物分子（罗丹明B、苯酚或卤代苯酚）的可见光响应降解能力及循环应用性能，评估材料结构特征与光催化活性的关联规律。探讨半金属铋的SPR效应在光催化降解中的作用机理，为设计铋系高效催化剂提供实验和理论基础。

铋系光催化材料在环境修复及能源转换方面的应用潜力，日益受到人们的广泛关注。本项目重点开展半金属铋/层状铋化合物复合光催化剂的制备技术及可见光催化降解有机污染物的性能研究。研究多维度铋纳米结构的控制技术，多系列铋系复合催化材料的构建技术，含硅组分在铋材料表面的组装技术，探究材料生长机理。从表/界面特性及晶格匹配角度，调控铋复合物微观结构（分级结构，中空结构，暴露晶面特征，非化学计量），实现材料在可见区的宽吸收及光激发过程电子-空穴对的有效分离，获得多种高活性铋系可见光催化剂：Bi/BiOCl（001），中空Bi/BiOCl 微米球，Bi/yolk-shell BiOCl, 非化学计量型BixOyXz（X=Br, I），BiO2–x/Bi，Mo@Bi纳米球，Bi/Bi12SiO20纳米线，SiO2@Bi等。针对有色染料（RhB, MO等）污染物、无色有机污染物（BPA、卤代苯酚等）、抗生素（左氧氟沙星、环丙沙星等）体系，进行系列可见光催化降解实验，阐明了半金属铋的SPR效应、铋化合物的微观结构、含硅隔离层等因素与光催化活性的关联规律。本研究工作的开展，为铋系复合光催化材料的设计合成提供了一种可供选择的有效方法，能够较好地理解半金属铋与多种铋化合物组合形成复合光催化剂的可行性，为进一步设计高效催化剂提供参考。截止目前，相关工作已发表SCI检索文章近20篇。