基于缺陷调控的强化可见光催化活性TiO2及其在降解POPs时的微界面效应研究

Developing TiO2-based catalysts with Vis-photocatalytic activity is one of the key subject in the field of environmental catalysis. The present techniques that can endow TiO2 with Vis-photocatalytic activity are mostly focused on modification with alient species. However, due to poor chemical stability and synthetic complexity, there still remains obstacles in large scale production and application popularization. Recently, defects self-modified TiO2 has been proved a potent technique for endowing TiO2 with Vis-photocatalytic activity, but there are several problems needed to be addressed, e.g. instability of Ti3+, ambiguous relation between defect properties and catalytic effeciency, and lack of micro-interface effect. In this project proposal, defect rich TiO2 is chosen as the catalyst, specific POPs are used as probe organic pollutant, the aim of improving the Vis-photocatalytic activity is expected to be realised through defect-maneuvering techniques. Moreover, study on micro-interface effect between pollutant molecules and defect surface will be performed to understand the environmental process of photo-catalysed degradation of organic pollutants. The project will supply theoretic support for design and synthesis of TiO2-based photocatalysts with higher effeciency, and will also provide new methods and perspecitve for pollutant abatement technology.

发展具有可见光催化活性的二氧化钛是目前环境催化领域的重要课题。现有文献报道的能够赋予TiO2可见光催化活性的技术聚焦在对其进行各种外源异质物修饰，但由于化学稳定性差、制备过程复杂等原因导致难以宏量制备和推广应用。基于缺陷自我修饰的方法近来被证明也能够使TiO2具备可见光催化活性，但目前还存在Ti3+稳定性差、缺陷性质与催化效能关系模糊、以及微界面效应缺失等问题。本申请项目拟以缺陷TiO2为催化剂，以POPs为探针有机污染物，通过缺陷调控实现增强太阳光照下催化降解有机污染物的目标，并通过研究污染物分子在TiO2缺陷表面上的微界面效应深化光催化降解有机污染物的环境过程研究。为设计制备更高效光催化剂提供技术理论支持，同时为环境有机污染物消减提供新的方法和思路。

二氧化钛是一种优秀的半导体光催化剂。但受限于其较大的禁带宽度，二氧化钛只能吸收利用紫外光。因此，如何提高其可见光催化效能一直是一个研究热点。赋予缺陷是提高二氧化钛可见光催化活性的有效方法，而缺陷的生成和调控则是缺陷二氧化钛的研究重点。本项目开发了几种有效的一次性制备缺陷TiO2的溶解热合成法，制备了中空、核壳、三维层次等不同形貌的缺陷TiO2，并通过对实验参数的优化，实现了对缺陷的调控。发展了一种有效提高Ti3+稳定性的制备策略，通过C、N等的介入，一方面作为电子供体诱导产生Ti3+缺陷，另一方面在光催化反应过程中起到稳定剂的作用，克服Ti3+易氧化的不足，提高了缺陷寿命，并同时实现了协同提高光催化降解效能的目的。研究了制备的缺陷TiO2对有机污染物分子的吸附特性，探讨了缺陷在光降解使用时的稳定性，开展了缺陷的生成、湮灭及与污染物分子相互作用的微界面反应过程研究。在本项目研究成果基础上，结合本课题组以往研究成果，提出了外在形貌结构优化与内在电子结构调控协同强化TiO2光催化降解效能的调控策略，为高效TiO2光催化剂的制备提供理论和技术支持，也为持久性有机污染物的降解提供新的解决方案。