中空单晶结构铁酸盐的可控制备及其可见光催化性能研究

This proposal offers a research route that using template process to synthesize controllably a hollow single crystal structure of ferrites that can be functioned as visible light responsive photocatalytic materials, and designed a method of template couple with heteroatom doping to synthesize hollow single crystal of ferrites. The ideas that taking advantage of the hollow structure to enhance the photocatalytic properties, using the doping of heteroatoms to further adjust the surface status and electronic structure, can be used to promote the absorption of visible light and therefore the photocatalytic reaction that occurred on the surface of ferrites. Our emphasis is mainly focused on the influences of photocatalytic properties of the materials by the tri-dimentional porous structure, the expose ratio of active facets, the dopants and doping status. The affect mechanism of hollow structure and heteroatom doping on the photocatalytic property is revealed from the microscopic scale. Finally, hollow single crystal ferrites with superior photocatalytic reactivities and excellent stability will be prepared. By The accomplishment of this project will provide the reliable experimental basis and theoretical guidance for the development of new efficient photocatalytic materials in the field of photocatalysis.

本项目提出利用模板法可控制备具有可见光吸收的中空单晶结构铁酸盐光催化材料，并且设计了模板和掺杂源前驱体二合一的方法合成异质原子掺杂的中空单晶铁酸盐的研究思路。利用中空结构的优势来增强铁酸盐的光催化活性，利用异质原子掺杂来进一步调控其电子结构和表面化学状态，以促进铁酸盐对太阳光的吸收以及材料表面光催化反应的进行。重点研究三维多孔结构、不同活性晶面暴露比例、不同的掺杂元素和掺杂状态以及助催化剂种类对于材料体系光催化性能的影响。从微观尺度揭示中空结构和异质元素掺杂对于材料光催化性能的作用机理，优化制备方法，最终得到高活性和高稳定性的光催化材料，为新型光催化材料的开发提供可靠的实验依据和理论指导。

本项目针对目前光催化材料所面临的问题和特定光催化反应，设计了不同的具有可见光吸收的光催化材料体系。首先，以形貌控制为基础，合成出不同晶面暴露比例的铁酸铋光催化材料，并考察了不同的晶面比例对于铁酸铋光催化性能的影响，确定了铁酸铋材料中有利于光催化反应进行的活性晶面为{001}晶面。在此基础上，采用二维石墨烯作为模板，设计了模板剂与表面修饰材料二合一的方法合成了有利于光电催化反应的{001}晶面占优的铁酸铋光电极。研究了石墨烯模板对于材料生长的作用及其在铁酸铋基体表面修饰后对于光电催化反应产生的影响。结果表明，石墨烯对于铁酸铋表面的修饰进一步提升了铁酸铋光电极的性能。其次，在合成出中空单晶结构赤铁矿氧化铁光电极的基础上，研究了中空单晶结构对于氧化铁光催化性能的提升作用。利用原子层沉积技术，在氧化铁光电极表面修饰了一层氧化铝作为钝化层，通过调控氧化铝钝化层的沉积工艺，进一步提升了氧化铁光电极的光电催化性能。最后，在氧化钛光电极表面上生长了一层单晶三维多孔并且具有可见光吸收的硫簇材料，利用硫簇化合物组分可调的优点优化了电极材料表面的电子结构和化学状态并引入了可见光吸收。同时，三维多孔结构也促进了电极材料整体对于太阳光的吸收能力。另外，硫簇的单晶结构以及硫簇化合物和氧化钛之间所形成的异质结构，促进了二者界面间的光生载流子的传导和分离。相比于不加修饰的氧化钛光电极，修饰了三维多孔单晶硫簇的氧化钛光电极的光电催化性能得到了明显的提高。本项目重点研究了不同的孔结构、不同活性晶面暴露比例、不同的表面修饰状态对于材料体系光催化性能的影响，从而为新型光催化材料的开发提供可靠的实验依据和理论指导。