新型铌酸盐基交互积层纳米复合材料的构筑及光催化性能研究

One of 21 century's focuses in materials science is to design and to prepare functional materials with demanded features at a molecular level. Inorganic layered materials could be exfoliated into their single nanosheets under some appropriate condition due to the interaction between layers is relatively werker for layered materials. The exfoliated nanosheets have a molecular thickness and single crystal characteristic, which can be used as the basic unit for reassembling new functional nanomaterials. A cross-reassem-bling nanocomposite with semiconductor-semiconductor heterojunction structure can be obtained at the molecular level by a delamination-reassmbling technology which use a series of layered niobate (KTiNbO5、K4Nb6O17 and KNb3O8) as host materials and metal oxide semiconductor (TiO2 and SnO2) as guest materials in this study. The structures, morphologies and photocatalytically activities of the as-prepared nanocomposites were investigated by means of XRD, TG/DSC, SEM, UV-Vis, IR, BET, XPS and so on. It is expected that the enhanced photocatalytic activity of novel nanocomposite materials can be obtained through reseach the relations between photocatalysis mechanism of heterojunction structure, the preparation conditions, structure, and performance.

在分子水平上制备特定功能的材料是二十一世纪材料科学研究的热点之一。层状化合物层与层之间的结合力较弱，在一定条件下通过剥离反应可以得到组成其基本单元的无机纳米层，剥离得到的无机纳米层不仅具有单结晶纳米级的特异物性，而且由于该单结晶层的厚度为分子级水平(约1 nm)，因而作为纳米级新物质材料组装的基本基元在功能纳米材料研究领域显示了强大的应用前景。本项目以系列层状半导体铌酸盐剥离得到的纳米层为主体，以层状锰氧化合物和层状钛酸盐剥离得到的氧化锰纳米层和氧化钛纳米层为客体，在分子级水平上实现纳米层复合生成功能性层状纳米材料。利用多种手段对交互积层纳米复合材料进行结构表征、性质测定和光催化活性评价。并通过异质结光催化作用机制、制备条件与结构、性能等系列关系的研究，以期获得具有较高光催化活性的新型纳米复合材料。

通过插层组装方式设计层状纳米复合材料，主要是基于将客体分子的化学、光学、电学、磁学等功能性质与无机主体材料的结构、机械和热稳定性等结合，被认为是制备纳米复合材料的最有前途的方法之一。. 项目以阳离子型无机层状化合物（铌酸盐、钛酸盐以及铌钛酸盐）为主体，以水溶性金属卟啉衍生物、导电聚合物以及色素等为客体，制备了多种新型层状纳米复合材料，利用XRD、IR、元素分析、UV-vis等手段对制得的纳米复合材料进行结构、形貌和性质分析，并研究了这些复合材料在电催化、化学催化、发光、光催化等方面的应用。(1)将甲基紫精和亚甲基蓝阳离子插入K4Nb6O17、KNb3O8、KTiNbO5、KLaNb2O7层间，得到了六种插层复合材料，推测了插层复合材料的结构模型，客体离子在无机层板间以单分子层或双分子层方式排列，分子平面与层板形成一定倾斜角度。CV测试表明复合材料具有客体离子的电化学性质，同种客体离子、主体层板不同时电化学活性和稳定性存在差异。(2)以半导体层状化合物K4Nb6O17、K2Ti4O9和KTiNbO5为主体材料，采用客体-客体交换法成功地将水溶性金属卟啉衍生物阳离子MtTMPyP（Mt = Mn、Fe、Co）引入层间。根据XRD结果分析，并结合金属卟啉衍生物的分子尺寸，可以推测客体分子在主体材料层间均以单层倾斜方式紧密堆积。循环伏安测试表明修饰电极具有良好的电化学活性，在中性缓冲溶液中能够催化氧气还原。(3) 以环烯烃环氧化为探针，考察了制得的系列金属卟啉衍生物插层纳米复合材料的催化性能。尽管与金属卟啉均相催化体系相比，非均相体系中底物的转化速度要慢一些，但选择性明显提高，这主要是由于主体层板提供的二维纳米反应器为底物的选择性氧化提供了理想的反应场。层状纳米复合材料为构筑光电纳米器件、化学或生物传感器提供了新材料体系，在分子识别和催化等领域都有广阔的应用前景。. 通过国家自然基金的大力支持，我们已发表SCI论文16篇，发明专利1项，完成了项目申报书中的成果要求。另有实验结果正在撰写和投稿中。