高效光生电荷自分离与可见光响应Au–Cu@H–TiO2-x光催化材料的可控制备及其多重协同机理研究

It is difficult for TiO2 to utilize solar energy effectively because of its wide band gap and easy recombination of photogenerated charge carriers. To overcome these problems, present proposal combines three TiO2 modification procedures, which could increase the efficiency of solar energy utilization, i.e., (1) the facet effect of polyhedral TiO2 results in spontaneous separation of photogenerated electron-hole, (2) noble metal-modified TiO2 with localized surface plasmon resonance broadens the light response range to visible light region, (3) surface hydrogenation treatment introduces oxygen defects for enhancing the ability of the photogenerated charge carriers’ migration, and thus constructed Au–Cu@H–TiO2-x photocatalytic materials which could efficiently utilize solar energy, to explore the multiple synergistic effect from three modification procedures. The selective modification with bi-metallic (Au, Cu) deposits on the specified crystal facets of polyhedral TiO2 could improve the efficiency of visible light utilization (by localized surface plasmon resonance) and improve electron mobility (by CuO-TiO2 heterojunction), to understand the theory of the enhanced electron mobility of heterostructure in photocatalytic reactions. To construct the kinetic modeling of synergistic effect by combination of computer simulation and experimental data, and to discover the correlation of preparation method – material composition – microstructures – photocatalytic properties. Proposed study has great significance for improvement of photocatalytic theory and development of new highly efficient photocatalytic materials.

TiO2较宽的禁带宽度且光生电子–空穴易复合的特性使其难以有效利用太阳能。本项目将三种提高太阳能利用效率的TiO2改性方法有效结合起来：利用多面体TiO2不同的晶面电势使光生电子-空穴自发的定向分离；利用贵金属修饰TiO2产生局域表面等离子共振效应而拓宽其光响应范围至可见光区域；利用表面氢化处理引入氧缺陷提升其光生电荷的迁移能力。构建高效利用太阳能Au–Cu@H–TiO2-x材料的同时探究三种改性方法的光催化多重协同作用机理。通过双金属（Au、Cu）选择性修饰多面体TiO2特定晶面，拓宽其太阳光响应范围的同时提高光生电子迁移能力，完善光催化反应中异质结构（CuO-TiO2）电子迁移能力增强理论。通过计算机仿真模拟和实验数据相结合，建立光催化多重协同效应动力学模型，探索制备方法–材料成分–微观结构–催化性能之间的内在联系。本项目的研究对完善光催化理论、开发新型高效光催化材料具有重要意义。

开发出高效稳定的TiO2光催化材料一直是光催化领域的一个研究热点和难题。TiO2禁带宽度较宽，光吸收范围窄，使其只能吸收利用太阳光总量约4%的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量。为了促进光生电子-空穴发生有效分离以避免其直接的再复合，从而以提高光的利用效率，将形貌调控所带来的多面体晶面效应和贵金属修饰产生的局域表面等离子体共振效应有效结合起来，以克服单一改性方法的局限性，是一条切实有效的解决方法。在本项目的支持下，我们对高效TiO2光催化材料的合成及其改性进行了系统的研究。首先，我们系统研究了以钛酸钾纳米线为前驱体的单晶多面体TiO2的水热法制备及贵金属修饰改性，发现了光解水产氢效率与金属的功函数有关，贵金属的存在形式和形貌对光催化性能有重要影响。在以含NH4F溶液为辅助剂制备单晶多面体TiO2过程中，可控制备出花状球形TiO2，研究了八面体-十面体-花状球的形貌变化过程，为理解F-及NH4+对TiO2形貌转变机理提供了依据。其次，成功制备出了分散性、热稳定性优良的TiO2微球，再通过贵金属修饰实现了高效稳定的Pt-TiO2光催化材料的制备。另外，通过改进水热合成工艺，成功合成出了三维分级多孔TiO2，其独特的自组装三维分级结构具有较大的比表面积及较多的光催化活性位点，是一种非常具有潜力的高效TiO2光催化材料基底。同时为了对比研究，通过水热合成成功制备出了同样具备分级结构的Bi2WO6光催化材料并对其进行多种贵金属修饰，研究了材料的光催化性能与金属种类的关系。总之，高效TiO2光催化材料的开发对推进光催化领域的发展具有重要作用，相关研究在环境和能源领域具有较大的潜在应用价值。